ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Ράπτη Πωλίνα Αναστασία. Επιβλέπων Καθηγητής. Παρασκευάς Παπανίκος ΑΜ:

Transcript

1 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Ράπτη Πωλίνα Αναστασία ΑΜ: Επιβλέπων Καθηγητής Παρασκευάς Παπανίκος Σύρος,

2 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Παρασκευά Παπανίκο για την βοήθειά του.οι συμβουλές του ήταν πολύτιμες και η επικοινωνία μας ήταν άμεση και ευχάριστη. Επίσης να ευχαριστήσω την οικογένειά μου και τους φίλους μου για την συμπαράστασή τους σε όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. 2

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σήμερα, υπάρχουν όλες οι ευνοϊκές προϋποθέσεις για να εκμεταλλευτεί ένας ιδιώτης τη φωτοβολταϊκή τεχνολογία για οικιακή χρήση, καθώς τα μέτρα της πολιτείας προβλέπουν απλούστερες διαδικασίες και δίνουν οικονομικά κίνητρα για το σκοπό αυτό. Στην περίπτωση που κρίνεται ασύμφορη η σύνδεση στο δίκτυο της ΔΕΗ, είτε για οικονομικούς λόγους είτε γιατί δεν υπάρχει δίκτυο στην περιοχή, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Τα φωτοβολταϊκά συνεπάγονται σημαντικά οφέλη για τον καταναλωτή, για τις αγορές ενέργειας, για το περιβάλλον, τη βιώσιμη ανάπτυξη και την κοινωνία. Σήμερα η ενέργεια που παράγεται από φωτοβολταϊκά συστήματα εξυπηρετεί ανθρώπους στις πιο απομακρυσμένες περιοχές στον πλανήτη μας όπως και στα κέντρα των πόλεων. Οι εφαρμογές των φωτοβολταϊκών συστημάτων σε κατοικίες αναφέρονται σε αγροτικές και βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Σκοπός Σκοπός μας είναι να προσδιοριστούν οι ανάγκες μιας σύγχρονης κατοικίας, να αναλυθούν, να γίνουν έρευνες αγοράς στις νέες τεχνολογίες των φωτοβολταϊκών που υπάρχουν στο εμπόριο, να ανακαλυφθεί τι είδος καλύπτει τις ανάγκες μας και να υπολογιστεί το κόστος αλλά και η ποσότητα των φωτοβολταϊκών πλαισίων που θα χρειαστεί για την στέγη μας ή το οικόπεδό μας. Δομή Η εργασία αποτελείται από 6 κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο δίνονται πληροφορίες για την ηλιακή ενέργεια που δέχεται η γη από τον ήλιο. Στο δεύτερο κεφάλαιο δίνονται πληροφορίες για το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, τον ορισμό του και την λειτουργία του. Ενώ στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται τα φωτοβολταϊκά συστήματα τόσο για συνδεδεμένο στο δίκτυο όσο και για αυτόνομα συστήματα. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναφέρονται στοιχεία για την νομοθεσία εγκατάστασης φωτοβολταϊκών συστημάτων. Τέλος στα κεφάλαια πέντε και έξι γίνετε μελέτη και σχεδιασμός ενός αυτόνομου υβριδικού συστήματος. 3

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Εισαγωγή Βασικές γωνίες Συνιστώσες ηλιακής ακτινοβολίας Υπολογισμός της άμεσης και διάχυτης ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο Εκτίμηση ωριαίας ακτινοβολίας από την ημερήσια ακτινοβολία Εκτίμηση ηλιακής ακτινοβολίας σε κεκλιμένες επιφάνειες Εκτίμηση άμεσης ακτινοβολίας Εκτίμηση διάχυτης ακτινοβολίας Εκτίμηση ανακλώμενη ακτινοβολίας Μεθοδολογία υπολογισμού συνολικής ακτινοβολίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Ορολογία Ιστορική αναδρομή Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Λειτουργία Φ/Β Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών στοιχείων Φωτοβολταϊκή ενέργεια Χρήσεις των Φ/Β ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Γενικά Μονάδες φωτοβολταϊκών συστημάτων Φωτοβολταϊκό πλαίσιο Είδη ηλιακών κυψελών Υπολογισμός απόδοσης ηλιακής κυψέλης Σύνδεση φωτοβολταϊκών πλαισίων Στήριξη φωτοβολταϊκών πλαισίων Αντιστροφέας τάσης Αντιστροφείς τάσης για συνδεδεμένα στο δίκτυο συστήματα Αντιστροφείς τάσης για αυτόνομα συστήματα Συσσωρευτής (Μπαταρία)

5 Χαρακτηριστικά μεγέθη μπαταρίας Η χωρητικότητα μιας μπαταρίας δεν είναι σταθερή Τύποι μπαταριών φ/β συστημάτων Ρυθμιστής φόρτισης Βοηθητικά συστήματα Διαστασιολόγηση αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος Κόστος φωτοβολταϊκών συστημάτων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ Γενικά Γεωγραφική κατανομή σταθμών Επιδότηση επενδύσεων Διαδικασίες αδειοδότησης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων Συστήματα 20 kwp Συστήματα kwp Συστήματα kwp Συστήματα >2.000 kwp ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΜΟΝΙΜΗ ΚΑΤΟΙΚΙΑ ΣΤΙΣ ΚΥΚΛΑΔΕΣ Γενικά Εισαγωγή Μελέτης Μεθοδολογία Μελέτης Προσδιορισμός των ηλεκτρικών καταναλώσεων Επιλογή μπαταριών Επιλογή φωτοβολταϊκών πλαισίων Προσδιορισμός του ρυθμιστή φόρτισης Προσδιορισμός του αυτόνομου μετατροπέα Προσδιορισμός του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους Προσδιορισμός των τύπων καλωδίων και των μέσων προστασίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 : ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ DC Σύνδεση Προσδιορισμός Ηλεκτρικών Καταναλώσεων Επιλογή μπαταριών Επιλογή φωτοβολταϊκών πλαισίων Μηχανικά χαρακτηριστικά και ενδεικτικό κόστος εγκατάστασης

6 6.1.4 Σύγκριση ημερήσιας ακτινοβολίας για κάθε μήνα σε διάφορες περιοχές της Ελλάδος Υπολογισμός πλαισίων ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ειδικό Πρόγραμμα Ανάπτυξης Φωτοβολταϊκών Συστημάτων σε κτιριακές εγκαταστάσεις

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 1.1 Εισαγωγή Ο ήλιος αποτελεί μια από τις σημαντικότερες πηγές ενέργειας στο περιβάλλον, αφού η ηλιακή ακτινοβολία μεταφέρει τεράστιες ποσότητες ενέργειας προς όλες τις κατευθύνσεις στο χώρο. Η γη περιστρέφεται σε ελαφρά ελλειπτική τροχιά γύρω από τον ήλιο και δέχεται ένα ποσοστό της ενέργειας αυτής, το οποίο είναι ανάλογο του εμβαδού που προβάλλει η γη στις ηλιακές ακτίνες. Η συνολική ενέργεια που δέχεται ο πλανήτης από τον ήλιο κατά τη διάρκεια ενός έτους είναι περίπου 5.4x10 24 Joules, όμως ένα ποσοστό της τάξης του 30% επανεκπέμπεται προς το διάστημα με αποτέλεσμα ο πλανήτης να απορροφά τελικά κάθε χρόνο ενέργεια περίπου 3.8x10 24 Joules. Η ενέργεια που δέχεται η γη από τον ήλιο κατά τη διάρκεια ενός έτους, υπολογίζεται σε διπλάσια από την ενέργεια που θα προσέφερε το σύνολο του ορυκτού πλούτου του πλανήτη. Το 30% περίπου της απορροφημένης από το σύστημα ατμόσφαιρα γη ηλιακής ενέργειας καταναλώνεται για την εξάτμιση των επιφανειακών υδάτων του πλανήτη στην ατμόσφαιρα. Το 20% περίπου μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια του αέρα (άνεμος), και ένα πολύ μικρό ποσοστό της τάξης του 1% συμμετέχει στη φωτοσύνθεση. Η υπόλοιπη ενέργεια θερμαίνει τον πλανήτη και επανεκπέμπεται στο διάστημα [1] Η μέγιστη ροή που μπορεί να φθάσει στο έδαφος είναι της τάξης του 1 kw m -2 και ανήκει στη φασματική περιοχή μεταξύ 300 και 250nm. Στις κατοικημένες περιοχές της γης η ηλιακή ενέργεια που δέχεται ένας τόπος μέσα σε μια μέρα ανά μονάδα επιφάνειας κυμαίνεται μεταξύ 3 και 30 MJ m -2 day -1, ανάλογα με τον τόπο, την εποχή και τις επικρατούσες καιρικές καταστάσεις. [2] Από θερμοδυναμική άποψη η ηλιακή ενέργεια είναι ενέργειας υψηλής ποιότητας, αφού προέρχεται από πηγή θερμότητας πολύ υψηλότερης από τις συνήθεις, εφόσον ο Ήλιος εκπέμπει σαν μέλαν σώμα θερμοκρασίας περίπου 5800 ο Κ. Σύμφωνα με το δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο, η μέγιστη θεωρητική απόδοσή της ανέρχεται σε 95% (Τήλιου = 5800ο Κ, Τγης(μέση) = 300ο Κ). [3] Με βάση τα παραπάνω, προκύπτει ότι η προσφερόμενη ενέργεια από τον ήλιο αποτελεί ένα σημαντικό ενεργειακό δυναμικό, η εκμετάλλευση του οποίου αφενός θα 7

8 καθιστούσε δυνατή τη λύση ενεργειακών προβλημάτων και αφετέρου θα αντικαθιστούσε σε μεγάλο βαθμό της χρήση συμβατικών μορφών ενέργειας που επιφέρουν σημαντικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Τα βασικά πλεονεκτήματα που παρουσιάζει η ηλιακή ενέργεια σε σύγκριση με άλλες μορφές ενέργειας συνοψίζονται στα εξής: Παρέχεται συνεχώς με μηδενικό οικονομικό κόστος. Είναι ομογενής με αποτέλεσμα η εκμετάλλευσή της να είναι εφικτή σε τοπικό επίπεδο, χωρίς να είναι απαραίτητη η μεταφορά της συλλεγόμενης ενέργειας. Είναι, τουλάχιστον για ανθρώπινες κλίμακες, χρονικά ανεξάντλητη. Βασικό μειονέκτημα αποτελεί το γεγονός ότι είναι χαμηλής πυκνότητας, που σημαίνει ότι απαιτούνται μεγάλες επιφάνειες συλλογής της, σε συνάρτηση με τη περιοδική διαθεσιμότητά της, λόγω ημερήσιας διακύμανσης και επίδρασης των μετεωρολογικών συνθηκών. Η αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας έχει δύο κύριους άξονες. Οι άξονες αυτοί αποτελούν τις Θερμικές και τις Φωτοβολταϊκές εφαρμογές. Η πρώτη είναι η συλλογή της ηλιακής ενέργειας για να παραχθεί θερμότητα, κυρίως για τη θέρμανση του νερού και τη μετατροπή του σε ατμό για την κίνηση τουρμπίνων. Περισσότερες εφαρμογές αυ Στη δεύτερη εφαρμογή τα φωτοβολταϊκά συστήματα μετατρέπουν το φως του ήλιου σε ηλεκτρισμό με τη χρήση φωτοβολταϊκών κυψελών ή συστοιχιών. Το ενδιαφέρον για την ηλιακή ενέργεια εντάθηκε όταν χάρη στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, διαπιστώθηκε η πρακτική δυνατότητα της εύκολης, άμεσης και αποδοτικής μετατροπής της σε ηλεκτρική ενέργεια με την κατασκευή φωτοβολταϊκών γεννητριών. Η φωτοβολταϊκή μέθοδος μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια έχει κυρίως πλεονεκτήματα, αν εξαιρεθούν το σχετικά υψηλό κόστος για τις περισσότερες εφαρμογές, η αδυναμία της φωτοβολταϊκής γεννήτριας να παράγει συνεχώς ηλεκτρική ενέργεια λόγω των διακυμάνσεων της ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας. 8

9 1.2 Βασικές γωνίες Η γη περιστρέφεται πλήρως με κέντρο τον άξονά της, ο οποίος περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο διατηρώντας μια σταθερή γωνία, 23,45. Αυτή η γωνία είναι υπεύθυνη για το ότι ο ήλιος φαίνεται ψηλότερα στον ουρανό το καλοκαίρι απ ότι το χειμώνα. Επίσης εξαιτίας της γωνίας αυτής είναι μεγαλύτερη η διάρκεια της ημέρας το καλοκαίρι. Στο σχήμα 1-1 φαίνεται η τροχιά της γης γύρω από τον ήλιο και η κλίση του άξονα της. Η γωνία που σχηματίζεται από το επίπεδο του ισημερινού και την ευθεία που ενώνει το κέντρο της γης με αυτό του ήλιου ονομάζεται ηλιακή απόκλιση δ και φαίνεται στο σχήμα 1-2. Η ηλιακή απόκλιση δίνεται από τον τύπο ) (1.1) όπου n είναι η ημέρα του έτους που μας ενδιαφέρει. Οι γωνίες βόρεια του ισημερινού θεωρούνται θετικές και αυτές νότια αρνητικές.[2,5] Σχήμα 1-1 : Η τροχιά της γης γύρω από τον ήλιο [5] Σε μια συγκεκριμένη περιοχή όπου θα τοποθετηθεί ένα φωτοβολταϊκό σύστημα είναι χρήσιμος ο ορισμός της θέση του ήλιου χρησιμοποιώντας δυο γωνίες που θα αναφέρονται η μια στο οριζόντιο και η άλλη στο κάθετο επίπεδο. Στο σχήμα 1-3 παρουσιάζονται οι δυο αυτές γωνίες. Η ηλιακή γωνία ζενίθ θ zs είναι η γωνία μεταξύ του κάθετου άξονα και της κατεύθυνσης της ακτινοβολίας του ηλίου. Επίσης η γωνία ηλιακού αζιμούνθιου Ψ s είναι αυτή μεταξύ της νότιας διεύθυνσης και της προβολής 9

10 της ακτινοβολίας του ήλιου στο οριζόντιο επίπεδο. Η συμπληρωματική γωνία της γωνίας ζενίθ ονομάζεται ηλιακό ύψος γ s. Σε κάθε δεδομένη στιγμή οι συντεταγμένες του ήλιου σε κάποιο σημείο με γεωγραφικό πλάτος φ, δίνονται από τις εξισώσεις: cosθ zs = sinδ sinφ + cosδ cosφ cosω = sinγ s (1.2) ( ) (1.3) όπου ω είναι η ωριαία γωνία. ω = 0, 25 (min από ηλιακό μεσημέρι) (1.4) Για τη γωνία δύσης του ηλίου ισχύει ότι ω s = -arccos( -tanδtanφ ) (1.5) Από τις εξισώσεις (1.2) και (1.3) προκύπτουν οι γωνίες θ zs και Ψ s για μια οριζόντια επιφάνεια. Ωστόσο κρίνεται πιο πρακτική σε κάποιες περιπτώσεις η γνώση της θέσης του ήλιου σε σχέση με κεκλιμένες επιφάνειες. Η θέση μιας επιφάνειας δύναται να περιγραφεί από την κλίση της, β, και από το αζιμούνθιο, α, σχήμα 1-4. Σχήμα 1-2 : Θέση ήλιου γης κατά το μεσημέρι μιας ημέρας με αρνητική ηλιακή απόκλιση δ. [5] 10

11 Η γωνία πρόσπτωσης μεταξύ της ηλιακής ακτινοβολίας και της καθέτου στην επιφάνεια για περιοχές του βορείου ημισφαιρίου δίνεται από τη σχέση: cosθ s = sinδ sinφ cosβ - sinδ cosφ sinβ cosα + cosδ cosφ cosβ cosω + cosδ sinφ sinβ cosα cosω + cosδ sinα sinω sinβ (1.6) Σχήμα 1-3 : Η θέση του ήλιου σε σχέση με κάποιο σημείο στη γη [5] Σχήμα 1-4 : Θέση επιφάνειας (κλίση β και αζιμούνθιο α) και γωνία πρόσπτωσης των ακτίνων θ S. [5] 11

12 1.3 Συνιστώσες ηλιακής ακτινοβολίας Η ακτινοβολία που προσπίπτει σε σώμα που βρίσκεται εκτός της γήινης ατμόσφαιρας ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή με αφετηρία τον ήλιο και φτάνει στο σώμα χωρίς να υποστεί καμία μεταβολή. Καθώς η ηλιακή ακτινοβολία διαπερνά την ατμόσφαιρα της γης αλλοιώνεται καθώς έρχεται σε επαφή με συστατικά που υπάρχουν σε αυτή. Μερικά από αυτά όπως τα σύννεφα αντανακλούν την ακτινοβολία. Άλλα όπως το όζον, το οξυγόνο, το διοξείδιο του άνθρακα και οι υδρατμοί απορροφούν ένα μέρος της. Επίσης τα σταγονίδια του νερού και η σκόνη προκαλούν διασκορπισμό της. Όλα αυτά έχουν σαν αποτέλεσμα την αποσύνθεση της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε ένα σώμα στην επιφάνεια της γης, σε τρία διαφορετικά συστατικά. Άμεση ακτινοβολία: η ακτινοβολία που προσπίπτει απευθείας από τον ήλιο χωρίς να υποστεί αντανάκλαση ή διασκορπισμό. Διάχυτη ακτινοβολία: η ακτινοβολία που προέρχεται από τον ορίζοντα και είναι αυτή που έχει υποστεί διασκορπισμό. Ανακλώμενη ακτινοβολία: η ακτινοβολία που έχει υποστεί ανάκλαση στο έδαφος. Η ολική ακτινοβολία που προσπίπτει σε μια επιφάνεια είναι το άθροισμα των τριών αυτών συνιστωσών. Η ακτινοβολία που προσπίπτει σε ένα σώμα στην επιφάνεια της γης δεν είναι σταθερή αλλά διαφέρει σημαντικά αναλόγως την ώρα της ημέρας και την εποχή, αλλά και τις καιρικές συνθήκες. Επίσης, η ακτινοβολία εκτός ατμόσφαιρας παρουσιάζει ομαλές ημερήσιες και ετήσιες μεταβολές που οφείλονται στην κίνηση του ήλιου ή σε διαφοροποιήσεις ηλιακής πυκνότητας (ηλιακές κηλίδες), είτε έντονες και σύντομες διακυμάνσεις λόγω ταραχών στην επιφάνεια του ήλιου (εκρήξεις). Οι μεταβολές αυτές είναι προβλεπόμενες και μπορούν να καθοριστούν θεωρητικά. Η ακτινοβολία για κάποια ημέρα του έτους σε μια οριζόντια επιφάνεια εκτός ατμόσφαιρας δίνεται από τη σχέση 12

13 B ο =β o ε o cosθ zs (1.7) όπου βο = 1367 W/m 2 είναι η ηλιακή σταθερά και ε ο = 1 + 0,033cos (1.8) Η σχέση 1.7 για τον υπολογισμό της ενέργειας (wh/m 2 ) στην επιφάνεια κατά τη διάρκεια μιας ολόκληρης ημέρας γίνεται B Od = Β ο ε ο (- ω s sinδ sinφ - cosδ cosφ sinω s ) (1.9) όπου Τα είναι η διάρκεια της ημέρας (24 h). Η σχέση μεταξύ της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης και σε αυτή εκτός της ατμόσφαιρας δίνει ένα μέτρο της διαπερατότητας της ατμόσφαιρας. Έτσι ο συντελεστής διαπερατότητας (ή συντελεστής αιθριότητας) υπολογίζεται για κάθε μήνα από τη σχέση: Κ Τm = (1.10) όπου Gd είναι η ημερήσια ενέργεια σε οριζόντιο επίπεδο εντός ατμόσφαιρας. Ο συντελεστής αυτός μπορεί να χαρακτηρίσει το ηλιακό κλίμα μιας συγκεκριμένης τοποθεσίας και είναι και η βάση για τον υπολογισμό της ηλιακής ακτινοβολίας σε κεκλιμένο επίπεδο. Η συνήθης πρακτική των μετρήσεων της ακτινοβολίας είναι η πραγματοποίησή τους σε οριζόντιο επίπεδο. Επειδή όμως η υπολογιζόμενη ένταση σε κεκλιμένο επίπεδο είναι μεγαλύτερη, κρίνεται η τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών με κλίση σε σχέση με το οριζόντιο για υψηλότερη απόδοση. Οπότε ο υπολογισμός της ακτινοβολίας σε κεκλιμένο επίπεδο κρίνεται απαραίτητος. Από τις μετρήσεις προκύπτει η ολική ακτινοβολία και αυτό δημιουργεί δυο προβλήματα. Πρώτον στο διαχωρισμό της άμεσης και διάχυτης ακτινοβολίας και δεύτερον στον υπολογισμός της κάθε μίας για το κεκλιμένο επίπεδο.[2,5] 13

14 1.4 Υπολογισμός της άμεσης και διάχυτης ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο Η γενική ιδέα προτάθηκε από τους Liu και Jordan. Περιλαμβάνει τον υπολογισμό μιας εμπειρικής σχέσης μεταξύ του κλάσματος της διάχυτης ακτινοβολίας προς την ολική για οριζόντιο επίπεδο F Dm = (1.11) και του συντελεστή διαπερατότητας. Χρησιμοποιώντας δεδομένα από δέκα διαφορετικές τοποθεσίες ανάμεσα στα πλάτη 40 ο Ν και 40 ο S ο Page πρότεινε την ακόλουθη γραμμική σχέση: F Dm = 1 1,13 K Tm (1.12) Από της σχέση 1-12 δύναται να επιλυθούν τα προβλήματα μηχανικών για εφαρμογές φωτοβολταϊκών σε ικανοποιητικό βαθμό.[2,5] Από τον υπολογισμό της διάχυτης ακτινοβολίας δύναται να υπολογιστή η άμμεση ως εξής: B dm = G dm D dm (1.13) 1.5 Εκτίμηση ωριαίας ακτινοβολίας από την ημερήσια ακτινοβολία Καθώς η ηλιακή ενέργεια (Wh/m 2 ) κατά τη διάρκεια μιας ώρας είναι αριθμητικά ίση με την τιμή της ισχύος (W/m 2 ) την ώρα αυτή, οι τιμές της ισχύος μπορούν να μετατραπούν σε ωριαίες τιμές ενέργειας. Ωστόσο επειδή δεν υπάρχουν διαθέσιμες τιμές ωριαίας ακτινοβολίας το πρόβλημα εντοπίζεται στον υπολογισμό της ωριαίας ακτινοβολίας με δεδομένη την ημερήσια. Ο λόγος της ενέργειας της ακτινοβολίας οριζοντίου επιπέδου εκτός ατμόσφαιρας σε κάποια στιγμή (W/m 2 ) προς την ημερήσια ενέργεια (Wh/m 2 ) δύναται θεωρητικά να υπολογιστεί με χρήση των εξισώσεων (1.2), (1.7) και (1.9). Δηλαδή : = (1.14) 14

15 oταν η γωνία δύσης ω s είναι εκφρασμένη σε μοίρες και Τ είναι η διάρκεια της ημέρας συνήθως εκφρασμένης σε ώρες. Β Ο (0) και Β Οd (0) είναι τα αντίστοιχα μεγέθη για οριζόντιο επίπεδο.[5] Με εξέταση δεδομένων από διάφορους σταθμούς έχει παρατηρηθεί ότι όσον αφορά τις μέσες τιμές μακροχρόνιων μετρήσεων ακτινοβολίας εντός ατμόσφαιρας, η σχέση του μετρούμενου λόγου της στιγμιαίας διάχυτης ακτινοβολίας (w/m 2 ) προς την ημερήσια ενέργεια της διάχυτης ακτινοβολίας (wh/m 2 ), r D = και της θεωρητικής έκφρασης της εξίσωσης (1.13) είναι πολύ κοντά. Ενώ η σχέση του μετρούμενου λόγου της ολικής στιγμιαίας ακτινοβολίας προς την ολική ημερήσια ενέργεια της ακτινοβολίας, r G =, και η r D βρίσκονται πολύ κοντά ώστε με μικρή διόρθωση ταιριάζουν στα παρατηρούμενα δεδομένα. Οπότε προκύπτει: r D = (1.15) r G = (a + bcosω) (1.16) όπου a = 0, 409-0,5016sin(ω s + 60 b = 0, , 4767sin(ω s + 60) Σημειώνεται ότι τα r G και r D έχουν μονάδες (χρόνο )-1 και δύναται να επεκταθούν για τον υπολογισμό ακτινοβολιών για σύντομες χρονικές περιόδους, επικεντρωμένες στη στιγμιαία γωνία ω. Για παράδειγμα ο υπολογισμός της ακτινοβολίας για μια ώρα μεταξύ 10:00 και 11:00 (ηλιακή ώρα), θέτει γωνία ω = -22,5 ο (το κέντρο του διαστήματος, δηλαδή για 10:30) και Τ = 24h. Όπως έχει ήδη αναφερθεί για αυτόν τον υπολογισμό είναι δυνατή η θεώρηση ότι η ενέργεια (Wh/m 2 ) στη διάρκεια μιας ώρας είναι αριθμητικά ίση με την ισχύ (W/m 2 ) της ακτινοβολία κατά τη διάρκεια της ώρας αυτής και επίσης ίση με την ισχύ της ακτινοβολίας στο μέσον του διαστήματος της ώρας. Παραδείγματος χάριν αν η ολική 15

16 ακτινοβολία το μεσημέρι είναι G(0) = 580,4 W/m 2, ισούται αριθμητικά με την ενέργεια από 11:30 έως 12:30 Gh(0) = 580,4 Wh/m 2. Αυτή η υπόθεση βρίσκεται πολύ κοντά στην πραγματικότητα κάτι που οδηγεί σε σημαντική απλοποίηση των υπολογισμών που απαιτούνται. Εκτίμηση ηλιακής ακτινοβολίας σε κεκλιμένες επιφάνειες Η πιο σύνηθισης διαδικασία για τον υπολογισμό της ολικής ακτινοβολίας σε κεκλιμένο επίπεδο, G(β,α), έγκειται στον ξεχωριστό υπολογισμό της άμεσης, Β(β,α), της διάχυτης, D(β,α), και της ανακλώμενης ακτινοβολίας R(β,α). Οπότε η ολική ακτινοβολία σε κεκλιμένο επίπεδο ισούται με το άθροισμα των ανωτέρω τριών συνιστωσών της ακτινοβολίας: G(β,α) = B(β,α) + D(β,α) + R(β,α) (1.17) Εκτίμηση άμεσης ακτινοβολίας Για την άμεση ακτινοβολία ισχύει B(β,α) = Βmax(0,cosθs) (1.18) όπου Β είναι η άμεση ακτινοβολία που προσπίπτει σε επιφάνεια κάθετη στις ακτίνες του ήλιου και θ s είναι η γωνία μεταξύ των ακτινών του ηλίου και της καθέτου στηνεπιφάνεια και δίνεται από την εξίσωση (1.6). Η άμεση ακτινοβολία Β προκύπτει από τη σχέση: Β = (1.19) Σημειώνεται ότι όταν οι ακτίνες του ηλίου προσπίπτουν στην πίσω πλευρά της επιφάνειας (όπως συμβαίνει τις πρωινές ώρες σε μια επιφάνεια με δυτικό προσανατολισμό) θ s >. Τότε, cosθ s < 0 και Β = 0. Έτσι ο παράγοντας max(0,cosθ s ) οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η ακτινοβολία στο πίσω μέρος της επιφάνειας των φωτοβολταϊκών δεν είναι εκμεταλλεύσιμη.[5] 16

17 1.6.2 Εκτίμηση διάχυτης ακτινοβολίας Το πιο απλό μοντέλο για τον υπολογισμό της διάχυτης ακτινοβολίας δέχεται ότι η ακτινοβολία στον ουρανό είναι ισοτροπική, το οποίο σημαίνει πως από κάθε σημείο του ουράνιου θόλου εκπέμπεται ακτινοβολία με την ίδια ένταση. Με βάση αυτό το μοντέλο προκύπτει ότι: D(β,α) = D(0) (1.20) Λόγω της απλότητας του, το μοντέλο αυτό είναι ευρέως διαδεδομένο, έστω και αν συστηματικά υποτιμά την διάχυτη ακτινοβολία για επιφάνειες προσανατολισμένες προς τον ισημερινό. Η αντίθετη προσέγγιση υποθέτει ότι όλη η διάχυτη ακτινοβολία εκπέμπεται από τη θέση στην οποία βρίσκεται ο ήλιος. Με αυτό τον τρόπο λαμβάνεται η διάχυτη όπως και η άμεση ακτινοβολία και προκύπτει ότι: D(β,α) = max(0,cosθ s ) (1.21) Το μοντέλο αυτό πλεονεκτεί χάριν απλότητας άλλα υπερεκτιμά τη διάχυτη ακτινοβολία.[5] Τα καλύτερα αποτελέσματα επιτυγχάνονται από τα λεγόμεναανισοτροπικά μοντέλα. Οι Hay και Davies θεώρησαν ότι η διάχυτη ακτινοβολία αποτελείται από δυο συνιστώσες. Μια που εκπέμπεται από τη θέση του ήλιου και μια από ολόκληρο τον ουράνιο θόλο. Και οι δυο συνιστώσες εξαρτώνται από ένα συντελεστή k I για τον οποίο ισχύει: k I = (1.22) Οπότε D(β, α) = D I (β, α) + D C (β, α) (1.23) όπου D I (β, α) =D(0)(1- k I ) (1.24) 17

18 D C (β, α) max(0, cosθ z ) (1.25) Σε ουρανό με πλήρη νεφοκάλυψη το k I = 0 και η εξίσωση (1.21) ταυτίζεται με το απλό ισοτροπικό μοντέλο. Το μοντέλο αυτό αποτελεί εξαιρετικό συνδυασμός απλότητας και ακρίβειας. Έχει συγκριθεί με μετρήσεις που έχουν πραγματοποιηθεί από πλήθος ερευνητών σε διάφορες τοποθεσίες παγκοσμίως και έχει αποδειχθεί πως χαρακτηρίζεται ως ικανοποιητικής ακριβείας Εκτίμηση ανακλώμενη ακτινοβολίας Η ανακλαστικότητα των περισσοτέρων τύπων εδάφους είναι πολύ μικρή. Συνεπώς η συνεισφορά της ανακλώμενης στην ολική ακτινοβολία που προσπίπτει σεμια επιφάνεια κρίνεται ελάχιστη (εξαίρεση αποτελεί η περίπτωση χιονιού). Για αυτό το λόγο δεν έχουν αναπτυχθεί πολύπλοκα μοντέλα για την ανάκλαση. Συνήθως, θεωρείται ότι το έδαφος είναι οριζόντιο με άπειρη έκταση και ανακλά ισοτροπικά. Με βάση αυτή τη θεώρηση η ανακλώμενη ακτινοβολία σε μια κεκλιμένη επιφάνεια δίδεται από τη σχέση R(β, α) = ρg(0) (1.26) όπου ρ είναι ο συντελεστής ανάκλασης του εδάφους και εξαρτάται από τη σύσταση του έδαφους. Για την Ελλάδα λαμβάνεται ρ = 0,2. [2,5] Μεθοδολογία υπολογισμού συνολικής ακτινοβολίας Ανακεφαλαιώνοντας όταν σε μια περιοχή μας δίνεται το γεωγραφικό πλάτος, η ημερήσια ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο, η κλίση των πλαισίων και ο προσανατολισμός τους, ο υπολογισμός της ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια των συλλεκτών ακολουθεί την εξής διαδικασία.[5] 1. Από τη σχέση (1.10) υπολογίζεται ο συντελεστής αιθριότητας K Td. 2. Από τη σχέση (1.12) ή (1.13) υπολογίζεται ο συντελεστής F Dd. 18

19 3. Από τη σχέση (1.11) υπολογίζεται η ημερήσια διάχυτη ακτινοβολία οριζοντίου επιπέδου D dm (0). 4. Από τη σχέση (1.14) υπολογίζεται η ημερήσια άμεση ακτινοβολία οριζοντίου επιπέδου B dm (0). 5. Από τις σχέσεις (1.15) και (1.16) υπολογίζεται η ωριαία διάχυτη ακτινοβολία οριζοντίου επιπέδου D hm (0) θέτοντας όπου ω τη γωνία που αντιστοιχεί στο κέντρο του διαστήματος της μιας ώρας και Τ=24h. 6. Από τη σχέση (1.17) υπολογίζεται η ωριαία ολική ακτινοβολία οριζοντίου επιπέδου G hm (0). 7. Η ωριαία άμεση ακτινοβολία οριζοντίου επιπέδου είναι η διάφορα της διάχυτης από την ολική B hm (0) = G hm (0) D hm (0). 8. Από τις σχέσεις (1.18) και (1.19) υπολογίζεται η άμεση ωριαία ακτινοβολία κεκλιμένου επιπέδου B hm (β,α). 9. Από τις σχέσεις (1.23), (1.24) και (1.25) υπολογίζεται η διάχυτη ωριαία ακτινοβολία κεκλιμένου επιπέδου D hm (β,α). 10. Από τη σχέση (1.26) υπολογίζεται η ανακλώμενη ωριαία ακτινοβολία κεκλιμένου επιπέδου R hm (β,α). 11. Η ολική ωριαία ακτινοβολία κεκλιμένου επιπέδου είναι το άθροισμα της άμεσης, της διάχυτης και της ανακλώμενης: G hm (β,α) = B hm (β,α) + D hm (β,α) + R hm (β,α). 12. Η ολική ημερήσια ακτινοβολία κεκλιμένου επιπέδου δίνεται από τη σχέση G dm (β, α) = 19

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ 2.1 Ορολογία Για την διευκόλυνση του αναγνώστη, στην παρούσα παράγραφο παρατίθεται η βασικότερη ορολογία, της οποίας χρήση θα γίνει στο σύνολο της εργασίας. Φωτοβολταϊκό φαινόμενο: Ονομάζεται η άμεση μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική τάση (photovoltaic PV). Φωτοβολταϊκό στοιχείο: Η ηλεκτρονική διάταξη που παράγει ηλεκτρική ενέργεια όταν δέχεται ακτινοβολία. Καλείται επίσης φωτοβολταϊκό κύτταρο ή φωτοβολταϊκή κυψέλη (PV-cell) ή φωτοστοιχείο. Φωτοβολταϊκό πλαίσιο: Ένα σύνολο φωτοβολταϊκών πλαισίων που είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένα. Αποτελεί σημαντική μονάδα της φωτοβολταϊκής γεννήτριας (PVmodule). Φωτοβολταϊκή γεννήτρια: Το τμήμα μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης που αποτελείται από φωτοβολταϊκά στοιχεία και παράγει συνεχές ρεύμα (PV-generator). Αντιστροφέας (inverter): Ηλεκτρονική συσκευή που μετατρέπει το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο. 2.2 Ιστορική αναδρομή Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τον Γάλλο Φυσικό Alexandre Edmond Becquerel το 1839, ο οποίος ανακάλυψε ότι μπορεί να παραχθεί ηλεκτρικό ρεύμα όταν συγκεκριμένες κατασκευές εκτεθούν στο φως. Οι Αμερικάνοι Adams και Day το 1876 χρησιμοποιώντας έναν κρύσταλλο σεληνίου είχαν κάνει επίδειξη αυτού του φαινομένου. Η απόδοση σε αυτή την περίπτωση ήταν μόνο 1%. Το 1905, ο Albert Einstein διατύπωσε την εξήγηση του φωτοβολταϊκου φαινομένου (υπόθεση του φωτονίου). Το 1949 οι Αμερικάνοι Shockley, Bardeen και Brattain ανακάλυψαν το τρανζίστορ διευκρινίζοντας τη φυσική των p και n ενώσεων των ημιαγωγικών υλικών. Το πρώτο φωτοβολταϊκό κύτταρο με απόδοση κοντά στο 6% 20

21 κατασκευάστηκε το 1956, ενώ αργότερα κατασκευάστηκε το φωτοβολταϊκό κύτταρο από πυρίτιο, το οποίο λειτουργούσε με απόδοση του 10%. Η γρήγορη ανάπτυξη της τεχνολογίας στην εξερεύνηση του διαστήματος πρόσφερε εξαιρετικές προοπτικές για την χρήση φωτοβολταϊκών κυττάρων. Το 1958, 108 ηλιακά κύτταρα είχαν σταλεί στο διάστημα για δοκιμή. Η σύνδεση σε σειρά άρχισε αργότερα σε μικρότερο αριθμό. Το 1970 η ετήσια παραγωγή φωτοβολταϊκών πλαισίων για διαστημικές εφαρμογές ήταν 500 m 2. Η επίγεια χρήση ξεκίνησε στα μέσα της δεκαετίας του 70, παίρνοντας δυναμική από την πετρελαϊκή κρίση του και δίνοντας ερεθίσματα για την εκπόνηση πληθώρας ερευνητικών μελετών. Η προσπάθεια της επιστημονικής κοινότητας ήταν να μειωθεί το κόστος των φωτοβολταϊκών πλαισίων, με την εύρεση νέων φθηνότερων υλικών. Τα φωτοβολταϊκά αποτελούν κομμάτι της καθημερινότητας. Το φάσμα των εφαρμογών τους κυμαίνεται από μικρής κλίμακας συστήματα σε ρολόγια και υπολογιστές τσέπης, μέχρι εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος και ισχύος. Η απόδοση τους κυμαίνεται από 12% ως 18% σε συγκεκριμένες συνθήκες αναφοράς. 2.3 Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Ορίζεται ως η άμεση μετατροπή του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια σε ατομικό επίπεδο. Μερικά υλικά έχουν την ιδιότητα γνωστή ως φωτοηλεκτρική επίδραση με την οποία απορροφώντας φωτόνια από το φώς απελευθερώνουν ηλεκτρόνια. Όταν αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συλλαμβάνονται, δημουργείται ηλεκτρικό ρεύμα και έτσι ηλεκτρική ενέργεια. 21

22 Σχήμα 2.1: Ηλιακό κύτταρο κρυσταλλικού πυριτίου. Τα ηλιακά στοιχεία είναι δίοδοι ημιαγωγού με τη μορφή ενός δίσκου που δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία όπως απεικονίζεται στο σχήμα. Κάθε φωτόνιο της ακτινοβολίας με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού, έχει τη δυνατότητα να απορροφηθεί σε ένα χημικό δεσμό και να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Δημιουργείται έτσι, όσο διαρκεί η ακτινοβολία, μια περίσσεια από ζεύγη φορέων πέρα από τις συγκεντρώσεις που αντιστοιχούν στις συνθήκες ισορροπίας. Οι φορείς αυτοί, καθώς κυκλοφορούν στο στερεό και εφόσον δεν επανασυνδεθούν με φορείς αντίθετου προσήμου, δύναται να βρεθούν στην περιοχή της ένωσης p-n, οπότε θα δεχθούν την επίδραση του ηλεκτροστατικού της πεδίου. Με τον τρόπο αυτό, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου n και οι οπές εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου p, με αποτέλεσμα να δημιουργηθεί μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες των δύο τμημάτων της διόδου. Η εκδήλωση της τάσης αυτής ανάμεσα στις δύο όψεις του φωτιζόμενου δίσκου, η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση της διόδου, ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η διάταξη αποτελεί μια πηγή ρεύματος που διατηρείται όσο διαρκεί η πρόσπτωση του ηλιακού φωτός πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου. Όταν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο δέχεται κατάλληλη ακτινοβολία, διεγείρεται παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα, το φωτόρευμα Ιφ, που η τιμή του θα είναι ανάλογη 22

23 προς τα φωτόνια που απορροφά το στοιχείο. Η πυκνότητα του φωτορεύματος δίνεται από την ακόλουθη σχέση (2.1): I e g 0 S( )[1 R( λ)]φ(λ)dλ όπου e, είναι το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο και λ g, το μέγιστο χρησιμοποιούμενο μήκος κύματος ακτινοβολίας στον ημιαγωγό. S(λ) είναι η φασματική απόκριση που ορίζεται ως το πλήθος των φορέων που συλλέγονται στα ηλεκτρόδια του φωτοβολταϊκού στοιχείου σε σχέση με τη φωτονική ροή Φ(λ), δηλαδή με το πλήθος των φωτονίων της ακτινοβολίας που δέχεται το στοιχείο ανά μονάδα επιφανείας και χρόνου με ενέργεια που αντιστοιχεί σε μήκος κύματος από λ μέχρι λ+dλ. R(λ) είναι ο δείκτης ανάκλασης της επιφάνειας του στοιχείου. 2.4 Λειτουργία Φ/Β Το ηλιακό φως αποτελείται ουσιαστικά από μικρά πακέτα ενέργειας που λέγονται φωτόνια. Τα φωτόνια περιέχουν διάφορα ποσά ενέργειας ανάλογα με το μήκος κύματος του ηλιακού φάσματος. Το γαλάζιο χρώμα ή το υπεριώδες π.χ. έχουν περισσότερη ενέργεια από το κόκκινο ή το υπέρυθρο. Κατά την πρόσκρουση λοιπόν των φωτωνίων σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο (που είναι ουσιαστικά ένας ημιαγωγός), άλλα ανακλώνται, άλλα το διαπερνούν και άλλα απορροφώνται από το φωτοβολταϊκό. Αυτά τα τελευταία φωτόνια είναι που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα. Τα φωτόνια αυτά αναγκάζουν τα ηλεκτρόνια του φωτοβολταϊκού να μετακινηθούν σε άλλη θέση και ως γνωστόν ο ηλεκτρισμός δεν είναι τίποτε άλλο παρά κίνηση ηλεκτρονίων. Σ αυτή την απλή αρχή της φυσικής λοιπόν βασίζεται μια από τις πιο εξελιγμένες τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρισμού στις μέρες μας. Από τα στοιχεία τα κυριότερα ημιαγώγιμα υλικά είναι το Γερμάνιο (Ge), το Πυρίτιο (Si) και το Σελήνιο (Se). Από αυτά το πιο σημαντικό είναι το πυρίτιο, γιατί βρίσκεται σε μεγαλύτερη αφθονία στη φύση.από ηλεκτρικής απόψεως τα διάφορα σώματα χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: τους αγωγούς, τους μονωτές και τους ημιαγωγούς. 23

24 Οι ημιαγωγοί σε κατάλληλες συνθήκες εκδηλώνουν τις ιδιότητες των άλλων δύο κατηγοριών και μπορούν να λειτουργήσουν ως αγωγοί ή ως μονωτές. Η ύλη αποτελείται από άτομα. Κάθε άτομο, με τη σειρά του, αποτελείται από τον πυρήνα και από τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από αυτόν, τοποθετημένα πάνω σε στοιβάδες. Από τα ηλεκτρόνια τα πιο απομακρυσμένα από τον πυρήνα, αυτά της εξωτερικής στοιβάδας, λέγονται ηλεκτρόνια σθένους και η αντίστοιχη στοιβάδα σθένους. Τάση κάθε ατόμου είναι η επιδίωξη συμπλήρωσης της εξωτερικής του στοιβάδα με 8 ηλεκτρόνια. Σχήμα 2.2: Κρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου Το άτομο του πυριτίου στην στοιβάδα σθένους περιέχει 4 ηλεκτρόνια, που βρίσκονται στις κορυφές μιας κανονικής τριγωνικής πυραμίδας, στο κέντρο της οποίας βρίσκεται ο πυρήνας, όπως φαίνεται στο σχήμα. Για να συμπληρώσει τη στοιβάδα σθένους του με 8 ηλεκτρόνια, κάθε άτομο πυριτίου συνεργάζεται με άλλα 4 άτομα, που το περιβάλλουν στο χώρο και συνεισφέρουν ανά δύο από ένα ηλεκτρόνιο. Έτσι σχηματίζεται το κρυσταλλικό πλέγμα του πυριτίου. Στους αγωγούς του ηλεκτρισμού τα ηλεκτρόνια σθένους είναι πολύ ευκίνητα και σε αυτήν την ευκινησία οφείλονται οι αγώγιμες ιδιότητες του υλικού. Αντίθετα, στους μονωτές τα ηλεκτρόνια σθένους είναι πολύ ισχυρά συνδεμένα με τον πυρήνα και εδώ οφείλονται οι μονωτικές τους ιδιότητες. Στους ημιαγωγούς τα ηλεκτρόνια σθένους συνδέονται σχετικά χαλαρά με τον πυρήνα, χωρίς να έχουν την ευκινησία των 24

25 ηλεκτρονίων των αγωγών. Αν όμως, ένα ηλεκτρόνιο αποκτήσει με κάποιον τρόπο πρόσθετη ενέργεια, τότε δύναται να σπάσει τους δεσμούς του με τον πυρήνα και να διαφύγει από αυτόν. Η θέση από την οποία φεύγει το ηλεκτρόνιο είναι περιοχή με ηλεκτρονικό έλλειμμα, παρουσιάζει θετικό φορτίο ίσο με αυτό του ηλεκτρονίου και ονομάζεται οπή. Η πρόσθετη ενέργεια που χρειάζεται να αποκτήσουν τα ηλεκτρόνια, για να διαφύγουν από το άτομο, δύναται να προσφερθεί με θερμότητα ή με φωτισμό. Το φως αποτελείται από μικρά σωματίδια, που λέγονται φωτόνια και τα οποία μεταφέρουν ενέργεια. Προσπίπτοντας στον ημιαγωγό, κάποια από τα φωτόνια συγκρούονται με τα ηλεκτρόνια σθένους και μεταβιβάζουν σε αυτά όλη τους την ενέργεια. Σε έναν κρύσταλλο πυριτίου στον οποίο προσπίπτει φωτεινή ακτινοβολία, στο εσωτερικό του κάποια ηλεκτρόνια εγκαταλείπουν τα αντίστοιχα άτομα και προσκολλώνται σε άλλα. Αποτέλεσμα αυτού του φαινομένου, που εξελίσσεται αλυσιδωτά, είναι ότι στον κρύσταλλο θα υπάρχουν άτομα με 9 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα, που θα είναι αρνητικά φορτισμένα, και άτομα με 7 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα ή, ισοδύναμα, με μια οπή στην εξωτερική στοιβάδα, που θα είναι θετικά φορτισμένα. Παράλληλα ελευθερώνονται κι άλλα ηλεκτρόνια που προσκολλώνται σε άτομα ή καταλαμβάνουν τη θέση μιας οπής που χάνεται. Αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι μια άτακτη μετακίνηση ηλεκτρονίων και οπών, η οποία όμως δεν ισοδυναμεί με ηλεκτρικό ρεύμα. Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι η κατευθυνόμενη και προς συγκεκριμένη φορά μετακίνηση ηλεκτρονίων ή οπών. Η κατευθυνόμενη κίνηση των ηλεκτρονίων και των οπών επιτυγχάνεται με τους ημιαγωγούς πρόσμιξης. Οι πιό κοινές συσκευές PV χρησιμοποιούν μια σύνδεση-single junction (επαφή p-n), για να δημιουργήσουν το ηλεκτρικό πεδίο στον ημιαγωγό. Σε ένα τέτοιο κύτταρο, μόνο τα φωτόνια των οποίων ενέργεια είναι ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του υλικού, δύναται να ελευθερώσουν ένα ηλεκτρόνιο. Συνεπώς, η φωτοβολταϊκή ικανότητα αυτών των κυττάρων περιορίζεται στη μερίδα του φάσματος του ήλιου του οποίου η ενέργεια είναι πάνω από το ενεργειακό διάκενο του υλικού απορρόφησης, και τα χαμηλά ενεργειακά φωτόνια δεν συμμετέχουν στο φαινόμενο αυτό. 25

26 Σχήμα 2.3: Κύτταρα multijunction Ένας τρόπος να αντιμετωπιστεί αυτός ο περιορισμός είναι να χρησιμοποιηθούν δύο (ή περισσότερα) διαφορετικά κύτταρα, με περισσότερα από ένα ενεργειακά διάκενα και περισσότερες από μια επαφές p-n (multijunction, σχήμα 2.3). Οι συσκευές Multijunction μπορούν να επιτύχουν μια υψηλότερη συνολική αποδοτικότητα μετατροπής καθώς δύναται να εκμεταλευτούν μεγαλύτερο φάσμα του φωτός και να το μετατρέψουν σε ηλεκτρική ενέργεια. Μια συσκευή multijunction αποτελείται από ένα σωρό επιστρώσεων μεμονωμένων κυττάρων των οποίων το διάκενο (Eg) σταδιακά ελαττώνεται προς τα κάτω. Το κορυφαίο κύτταρο συλλαμβάνει τα υψηλής ενέργειας φωτόνια και ενώ διαπερνά το υπόλοιπο των φωτονίων για να απορροφηθεί από τα κύτταρα χαμηλότερου διακένου. Τέτοια κύτταρα έχουν φθάσει σε αποδοτικότητες περίπου 35% κάτω από το συγκεντρωμένο φως του ήλιου. Άλλα υλικά που μελετώνται για τις συσκευές multijunction είναι το amorphous silicon και το copper indium diselenide. 2.5 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Για να γίνει μια εκτίμηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών και της λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελεί μια πηγή ρεύματος που ελέγχεται από μία δίοδο και ότι περιγράφεται από το πολύ απλοποιημένο διάγραμμα του σχήματος. Στο ισοδύναμο αυτό δεν συμπεριλαμβάνεται η αντίσταση λόγω της κίνησης των φορέων μέσα στον ημιαγωγό και στις επαφές με τα ηλεκτρόδια, όπως 26

27 ακόμα και η μη άπειρη αντίσταση διαμέσου της διόδου και τα αναπόφευκτα ρεύματα διαρροής. Σχήμα 2.4: Απλοποιημένο ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου. Σε συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος, θα αποκατασταθεί ισορροπία όταν η τάση που θα αναπτυχθεί ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου, θα προκαλεί ένα αντίθετο ρεύμα που θα αντισταθμίζει το φωτόρευμα, για το οποίο και θα ισχύει η ακόλουθη σχέση: I I 0 e ev 1 [2,2] όπου I0, είναι το ανάστροφο ρεύμα κόρου, e το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο, k η σταθερά Boltzmann, Τ η απόλυτη θερμοκρασία και γ ένας συντελεστής που ανάλογα με την κατασκευή και την ποιότητα της διόδου παίρνει συνήθως τιμές μεταξύ 1 και 2. Από την παραπάνω σχέση, η τάση ανοιχτού κυκλώματος θα υπολογίζεται από την ακόλουθη σχέση : V oc I I ln 1 e I 0 I I V oc ln, 0 e < I 0 [2,3] 27

28 Η παραπάνω σχέση εκφράζει τη λογαριθμική μεταβολή της Voc σε συνάρτηση με το Ιφ, δηλαδή με την ένταση της ακτινοβολίας που δέχεται το φωτοβολταϊκό στοιχείο και την εξάρτηση της από τις διάφορες ιδιότητες του ημιαγωγού. Στην άλλη ακραία περίπτωση, δηλαδή σε συνθήκες βραχυκύκλωσης ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου, το ρεύμα βραχυκύκλωσης θα ισούται με το παραγόμενο φωτόρευμα, Isc=Iφ. Όταν το κύκλωμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου κλείσει διαμέσου μιας εξωτερικής αντίστασης RL, το ρεύμα θα πάρει μια μικρότερη τιμή I L που υπολογίζεται με τη λύση της εξίσωσης : [2.4] Προφανώς θα υπάρχει κάποια τιμή της αντίστασης, δηλαδή του φορτίου του κυκλώματος, για την οποία η ισχύς που παράγει το φωτοβολταϊκό στοιχείο θα γίνεται μέγιστη (Pm=Im Vm). Στις συνθήκες αυτές, θα αντιστοιχεί μια βέλτιστη τάση Vm, που δίνεται από τη λύση της εξίσωσης : [2.5] Στο διάγραμμα [2.1], αποτυπώνονται τα παραπάνω χαρακτηριστικά μεγέθη που χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς και λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων και καθορίζουν την απόδοση τους. 28

29 σκοτάδι Στο φως Στο Διάγραμμα 2.1: Χαρακτηριστική καμπύλη έντασης (Ι) - τάσης (V) ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου στο σκοτάδι και στο φως. Ως πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, το φωτοβολταϊκό στοιχείο παρουσιάζει μια αρκετά ασυνήθιστη συμπεριφορά. Δηλαδή, σε αντίθεση με τις περισσότερες κοινές ηλεκτρικές πηγές οι οποίες διατηρούν περίπου σταθερή τάση στην περιοχή κανονικής τους λειτουργίας, η τάση των φωτοβολταϊκών στοιχείων μεταβάλλεται έντονα και μη γραμμικά σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος που δίνουν στο κύκλωμα, έστω και αν η ακτινοβολία παραμένει σταθερή. Επίσης, ένας σημαντικός 29

30 παράγοντας που επιδρά αρνητικά στην απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι η θερμοκρασία. Συγκεκριμένα, με την αύξηση της θερμοκρασίας προκαλείται αντίστοιχη αύξηση της ενδογενούς συγκέντρωσης των φορέων του ημιαγωγού, με αποτέλεσμα να πραγματοποιούνται περισσότερες επανασυνδέσεις φορέων. Έτσι, εκδηλώνεται ισχυρότερο ρεύμα διαρροής διαμέσου της διόδου, που συνεπάγεται μείωση της V oc και αντίστοιχη μείωση της απόδοσης του στοιχείου. Για σταθερές συνθήκες ακτινοβολίας (και θερμοκρασίας) και για μεταβαλλόμενες τιμές στην αντίσταση του κυκλώματος που τροφοδοτεί το ηλιακό κύτταρο, η τάση και η ένταση του ρεύματος του κυττάρου παίρνουν ενδιάμεσες τιμές ανάμεσα στις ακραίες που αντιστοιχούν σε μηδενική αντίσταση (βραχυκυκλωμένη κατάσταση με μέγιστη τιμή ρεύματος, I sc και μηδενική τάση) και άπειρη αντίσταση (ανοιχτοκυκλωμένη κατάσταση με μηδενική τιμή ρεύματος και μέγιστη τιμή τάσης, Voc), όπως παρουσιάζεται στο διάγραμμα (2.2). Διάγραμμα 2.2: Καμπύλες I-V και P-V φωτοβολταϊκού στοιχείου Si για σταθερές συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Παράλληλα μεταβάλλεται ομαλά και η ισχύς που παράγει το στοιχείο, με μέγιστη τιμή Pm σε ένα ορισμένο ζεύγος τιμών τάσης V m και έντασης I m για το οποίο η καμπύλη της ισχύος ως προς την τάση (P-V) παρουσιάζει μέγιστο. Διαφορετικά δύναται να ειπωθεί, ότι για τις τιμές αυτές των I m και V m, το εμβαδόν του ορθογωνίου 30

31 που σχηματίζεται από την I-V καμπύλη και τους άξονες τάσης και έντασης ρεύματος, γίνεται μέγιστο. Η μαθηματική συνθήκη για το σημείο μέγιστης ισχύος είναι: (2.6) (2.7) όπου R m είναι η δυναμική αντίσταση του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Αυτή η δυναμική αντίσταση είναι μια συνάρτηση της ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας των στοιχείων. Επομένως για τη μεταφορά μέγιστης ισχύος από τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια στο φορτίο ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, πρέπει να γίνεται ταίριασμα του φορτίου στη μονίμως μεταβαλλόμενη δυναμική αντίσταση της γεννήτριας. Η μεταβολή της πυκνότητας της ισχύος της ακτινοβολίας συνεπάγεται αντίστοιχη μεταβολή της V oc και της I sc από το μηδέν για το σκοτάδι, μέχρι τις μέγιστες τιμές τους για τη μέγιστη ένταση της ακτινοβολίας. Επίσης, με την αύξηση της θερμοκρασίας παρατηρείται αισθητή μείωση της ανοιχτοκυκλωμένης τάσης, V oc των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Στο διάγραμμα 2.3 για την ακτινοβολία με I SC =1.25A προκύπτει περίπου I m =l.la και V m =0.5V. Επομένως η κατάλληλη αντίσταση του κυκλώματος για να παράγεται η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς από το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι RL=V m /I m =0.5/1.1 = =0.455Ω. Η αντίσταση αυτή όπως φαίνεται και στο διάγραμμα 2.3, είναι εντελώς ακατάλληλη για όλες τις άλλες συνθήκες ακτινοβολίας, αφού η ευθεία με κλίση 1/0.455 τέμνει τις αντίστοιχες καμπύλες I-V σε σημείο διαφορετικό από το σημείο μέγιστης ισχύος. H τιμή της εσωτερικής αντίστασης του συσσωρευτή (και σε σχέση με το φορτίο κατανάλωσης) στο αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα καθορίζει κατά πόσο κοντά στο σημείο μέγιστης ισχύος θα λειτουργεί η φωτοβολταϊκή γεννήτρια στα μεταβαλλόμενα επίπεδα της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στα ηλιακά στοιχεία. 31

32 Διάγραμμα 2.3: Καμπύλες I-V και καμπύλη R φωτοβολταϊκού στοιχείου Η μετατόπιση των σημείων λειτουργίας (ΣΛ) ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου πυριτίου και η απομάκρυνση του από τα αντίστοιχα σημεία της μέγιστης ισχύος (ΜΡ) της I-V καμπύλης, για διαφορετικές συνθήκες ακτινοβολίας αλλά για σταθερή τιμή της αντίστασης του κυκλώματος που τροφοδοτεί το στοιχείο. 2.6 Φωτοβολταϊκή ενέργεια. Όπως έχει λεχθεί, η ακτινοβολία του φωτός του ήλιου μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω των φωτοβολταϊκών ή ηλιακών κύτταρα. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα (PV) είναι συσκευές ημιαγωγών, συνήθως συντεθειμένες από πυρίτιο, οι οποίες δεν περιέχουν κανένα υγρό, διαβρωτική χημική ουσία ή κινούμενο μέρος. Παράγουν ηλεκτρική ενέργεια με χρήση του φωτός, απαιτούν λίγη συντήρηση, δεν μολύνουν και λειτουργούν σιωπηλά, κάνοντας τη φωτοβολταϊκή ενέργεια την καθαρή και ασφαλή μέθοδο ηλεκτρικής παραγωγής. Τα ηλιακά ηλεκτρικά ή φωτοβολταϊκά συστήματα μετατρέπουν ένα ποσοστό της ηλιακής ενέργειας άμεσα σε ηλεκτρική. Το πυρίτιο, συστατικό κατασκευής φωτοβολταϊκών συστημάτων, απαντάται στο φλοιό της γης σε μεγάλη αφθονία και 32

33 χρησιμοποιείται επίσης ως υλικό ημιαγωγών στους υπολογιστές. Όταν το πυρίτιο συνδυάζεται με ένα ή περισσότερα υλικά, παρουσιάζει ηλεκτρικές ιδιότητες με την ακτινοβόλησή του από το φως του ηλίου. Τα ηλεκτρόνια διεγείρονται από τα φωτόνια της ακτινοβολίας και κινούνται μέσω του πυριτίου. Αυτό είναι γνωστό ως φωτοβολταϊκή επίδραση και οδηγεί στην άμεση παραγωγή συνεχούς ηλεκτρικής ενέργειας (DC). Τα Φ/Β πλαίσια έχουν μια οικονομικά ενεργή ζωή ετών Η Φ/Β ενέργεια είναι μια από τις πιο ελπιδοφόρες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στον κόσμο. Αντίθετα από τον άνθρακα, το φυσικό αέριο, το πετρέλαιο κ.λ.π. Τα πλεονεκτήματα είναι σαφή: είναι συνολικά μη ρυπαντικό, δε χρειάζεται βοήθεια από μηχανές, και δεν απαιτεί πολλή συντήρηση. Ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό της φωτοβολταϊκής ηλεκτρικής παραγωγής είναι ότι δεν απαιτεί μια εγκατάσταση μεγάλης κλίμακας για να λειτουργήσει, σε αντίθεση με τους κoινούς σταθμούς ηλεκτρικής παραγωγής. Οι ηλιογεννήτριες μπορούν να εγκατασταθούν σε κάθε σπίτι ή επιχείρηση ή σχολείο, και να παράγουν ισχύ ήσυχα και ακίνδυνα. Ένα βασικό μειονέκτημα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος είναι ότι, σε αντίθεση με πολλά άλλα συστήματα μετατροπής, η τροφοδοσία του (ηλιακή ακτινοβολία) δεν είναι καθόλου σταθερή αλλά αυξομειώνεται μεταξύ μιας μέγιστης και της μηδενικής τιμής, ακολουθώντας συχνά απότομες και απρόβλεπτες διακυμάνσεις. Το ποσό της ενέργειας που περιέχεται στο φως του ήλιου, ονομάζεται ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και με μία πιο αυστηρή ορολογία, ροή ακτινοβολίας που ορίζεται ως το ποσό της ενέργειας της ακτινοβολίας που περνά στη μονάδα του χρόνου από τη μονάδα εμβαδού μιας επιφάνειας τοποθετημένης κάθετα στην κατεύθυνση της ακτινοβολίας και εκφράζεται συνήθως σε kw/m². Επίσης στα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν είναι δυνατή η μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια του συνόλου της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχονται στην επιφάνεια τους. Ένα μέρος από την προσπίπτουσα ακτινοβολία ανακλάται πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου και διαχέεται πάλι προς το περιβάλλον, ενώ από τη ακτινοβολία που διεισδύει ένα μέρος πάλι συμβάλει στην εκδήλωση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. 2.7 Χρήσεις των Φ/Β Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα απαντώνται σε πολλά μεγέθη, αλλά συνήθως ένα κύτταρο 10cm x 10cm παράγει μισό βολτ. Τα κύτταρα συνδέονται μαζί για να παράγουν 33

34 υψηλότερες τάσεις και παρεχόμενη ισχύ. Μια ενότητα 12-βολτ, παραδείγματος χάριν θα μπορούσε να έχει 30 έως 40 κύτταρα PV. Μια ενότητα που παράγει 50 Watt έχει μέγεθος 40cm x 100cm. Τα Φ/β κύτταρα δεν είναι ιδιαίτερα αποδοτικά, μετατρέποντας μόνο 12 έως 15% του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια, αλλά τα εργαστηριακά πρωτότυπα φθάνουν σε 30% αποδοτικότητας. Σχήμα 2.5: Φ/β κύτταρα-συνδέσεις Τα Φ/β παράγουν συνεχές ρεύμα(dc), (το είδος ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από τις μπαταρίες) ενώ, οι περισσότερες ηλεκτρικές συσκευές απαιτούν εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) 220-βολτ. Μια συσκευή γνωστή ως αντιστροφέας (inverter) μετατρέπει το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο. Οι αντιστροφείς ποικίλλουν σε μέγεθος και σε ποιότητα ηλεκτρικής ενέργειας που παρέχουν. Οι απλοί και συνάμα φθηνοί αντιστροφείς είναι κατάλληλοι για απλά φορτία, όπως φώτα και υδραντλίες, αλλά οι περισσότερο ποιοτικοί που δίνουν καλής ποιότητας κυματομορφή απαιτούνται για να τροφοδοτήσουν ηλεκτρονικές συσκευές όπως τηλεοράσεις, στερεοφωνικά συγκροτήματα, φούρνους μικροκυμάτων και υπολογιστές. Ένα σύνηθες Φ/β σύστημα αποτελείται από τα πλαίσια, το σύστημα διαχείρησης ενέργειας και τις μπαταρίες.ο αριθμός των πλαισίων επιλέγεται ανάλογως του επιθυμητού ρεύματος απορρόφησης ανα ημέρα/εβδομάδα. Το σύστημα διαχείρισης ενέργειας αποτελείται από τις ηλεκτρονικές συσκευές που εφαρμόζεται η τάση και το ρεύμα που διαχέεται στα πλαίσια και μεταβιβάζουν αναλόγως στα ac/dc φορτία ή 34

35 και τις μπαταρίες για φόρτιση. Οι μπαταρίες επιλέγονται σε αριθμό και χωρητικότητα (Ah) βάση τις απαιτούμενης ισχύος σε Wh (Βατ ανά ώρα). Οι εφαρμογές των φωτοβολταϊκών μπορούν να χωρισθούν στις παρακάτω κατηγορίες: α. Απλό ή ανεξάρτητο φωτοβολταϊκό σύστημα Φωτοβολταϊκό σύστημα με αποθήκευση σε μπαταρίες Φωτοβολταϊκό σύστημα συνδεδεμένο στον οργανισμό κοινής ωφελείας Φωτοβολταϊκό σύστημα σε επίπεδο εργοστασίου παραγωγής ενέργειας β. Μικτά / Υβριδικά συστήματα Η ενέργεια παράγεται όπου και όταν χρειάζεται και το φωτοβολταϊκό σύστημα χαρακτηρίζεται απλό σε όλα του τα στάδια - από την καλωδίωση, την αποθήκευση του έως και τα κέντρα ελέγχου του. Τα μικρά συστήματα (έως 500W) έχουν χαμηλό βάρος και είναι πολύ εύκολα στην μεταφορά και στην εγκατάστασή τους. Στις περισσότερες περιπτώσεις η εγκατάσταση ενός συστήματος διαρκεί μερικές ώρες. Ένα παράδειγμα είναι οι αντλίες νερού που απαιτούν συχνή συντήρηση, ενώ το φωτοβολταϊκό σύστημα που τις τροφοδοτεί με ηλεκτρικό απαιτούν μόνο ένα περιοδικό έλεγχο της κατάστασής τους και καθάρισμα. γ. Συστήματα με μπαταρίες Τα φωτοβολταϊκά συστήματα με μπαταρίες αποτελούν μία πολύ αξιόπιστη λύση για την ηλεκτροδότηση ενός χώρου ή μηχανήματος καθ όλη τη διάρκεια της ημέρας, ανεξαρτήτως καιρού. Χρησιμοποιούνται σε όλο τον κόσμο για να παρέχουν ηλεκτροφωτισμό, ηλεκτροδότηση στις οικιακές συσκευές, διακόπτες, τηλέφωνα, ακόμα και σε μηχανολογικό εξοπλισμό βαρέως τύπου. Κατά την διάρκεια της ημέρας τα στοιχεία συλλέγουν ηλιακό φώς, το μετατρέπουν σε ηλεκτρικό ρεύμα και το αποθηκεύουν στις μπαταρίες. Οι μπαταρίες έκτοτε προμηθεύουν με ηλεκτρισμό όταν απαιτηθεί. Μεσολαβεί μία συσκευή που ονομάζεται "ρυθμιστής φόρτισης" η οποία φροντίζει να φορτίζονται σωστά οι μπαταρίες και επιμηκύνει την διάρκεια ζωής τους, προστατεύοντάς τις από υπερφόρτιση ή από την ολική τους αποφόρτιση. 35

36 Οι μπαταρίες είναι χρήσιμες στις περισσότερες περιπτώσεις αλλά απαιτούν μία περιοδική συντήρηση. Είναι σχεδιασμένες έτσι ώστε να παρέχουν περισσότερο από το αποθηκευμένο ρεύμα κάθε ημέρα. Τα υγρά τους είναι σημαντικό να ελέγχονται περιοδικά και να προστατεύονται από υπερβολικά χαμηλές θερμοκρασίες. Η δυνατότητα σε παροχή ηλεκτρικού ρεύματος που παρέχεται από αυτές τις διατάξεις μετά την δύση του ήλιου ή σε συννεφιασμένο καιρό καθορίζεται από την παραγωγή των φωτοβολταϊκών στοιχείων κατά τη διάρκεια φόρτισης και το είδος/ποσότητα των μπαταριών. Η πρόσθεση επιπλέον μπαταριών και στοιχείων ανεβάζει το κόστος της επένδυσής, για αυτό τον λόγο απαιτείται καλή μελέτη των ενεργειακών αναγκών πριν την εγκατάσταση του συστήματος για τον ορισμό του αποδοτικότερου μεγέθους του συστήματος. Εάν οι ανάγκες σε ενέργεια αλλάξουν η προσθήκη και άλλων μερών του συστήματος είναι εφικτή και απλή. Σχήμα 2.6: Παράδειγμα μεταβάσεων της ισχύος φωτοβολταϊκής γεννήτριας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 3.1 Γενικά Τα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να χωριστούν σε δυο κατηγορίες : Τα διασυνδεδεμένα στο δίκτυο συστήματα. Τα αυτόνομα συστήματα. 36

37 Και τα δυο έχουν πολλές ομοιότητες μεταξύ τους. Η κύρια διαφορά τους είναι ότι στα πρώτα υπάρχει σύνδεση με το δίκτυο της Δ.Ε.Η. και η ενέργεια που παράγεται περνάει σε αυτό, ενώ στα δεύτερα δεν υπάρχει τέτοια σύνδεση και η ενέργεια που παράγεται χρησιμοποιείται για ιδία κατανάλωση. 3.2 Μονάδες φωτοβολταϊκών συστημάτων Και τα δυο συστήματα αποτελούνται από επιμέρους μονάδες οι οποίες συνήθως είναι οι εξής : Διασυνδεδεμένα συστήματα. - Φωτοβολταϊκό πλαίσιο. - Πίνακας ελέγχου. - Αντιστροφέας τάσης. - Μετρητής Δ.Ε.Η. Αυτόνομα συστήματα. - Φωτοβολταϊκό πλαίσιο. - Πίνακας ελέγχου. - Ρυθμιστής φόρτισης. - Συσσωρευτής. - Αντιστροφέας τάσης. Στο σχήμα 3-1 φαίνονται οι διατάξεις των δυο αυτών συστημάτων. 37

38 Σχήμα 3-1 : Διασυνδεδεμένο και αυτόνομο σύστημα (ΕΝΑΣ ΠΡΑΚΤΙΚΟΣ ΟΔΗΓΟΣ ΓΙΑ ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ, Σύνδεσμος εταιρειών φωτοβολταϊκών) Φωτοβολταϊκό πλαίσιο Το φωτοβολταϊκό πλαίσιο αποτελείται από πολλές φωτοβολταϊκές κυψέλες που είναι συνδεδεμένες μεταξύ τους. Η φ/β κυψέλη είναι η στοιχειώδης μονάδα ενός φ/β συστήματος καθώς εκεί μετατρέπεται η ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. 38

39 Υπάρχουν πολλά είδη φ/β κυψελών διαθέσιμα στην αγορά και πολλά άλλα υπό ανάπτυξη. Χρησιμοποιούνται διάφορα υλικά και διατάξεις με στόχο τη μέγιστη παραγωγή ενέργειας από τη συσκευή με όσο το δυνατόν χαμηλότερο κόστος. Έχουν κατασκευασθεί κυψέλες σε εργαστηριακό περιβάλλον με απόδοση που ξεπερνά το 35%. Ωστόσο η απόδοση αυτών που κυκλοφορούν στο εμπόριο είναι περίπου η μισή. [5,9] Είδη ηλιακών κυψελών Τα είδη κυψελών, που χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο στην αγορά είναι τα εξής : [1,5] Λεπτής μεμβράνης (Thin-film). Υβριδικά. Κυψέλες μονοκρυσταλλικού πυριτίου Κατασκευάζονται από καθαρό μονοκρυσταλλικό πυρίτιο το οποίο προέρχεται από ένα μικρό «γόνο» κρύσταλλο, που αποσπάται με αργό ρυθμό από την τηγμένη μάζα του λιγότερου καθαρού πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Αποτελούνται από ένα λεπτό στρώμα καθαρού κρυσταλλικού πυριτίου του οποίου το πάχος είναι μm. Επίσης γίνεται τοποθέτηση μεταλλικού πλέγματος το οποίο λειτουργεί ως ηλεκτρική επαφή και έτσι επιτυγχάνεται η λειτουργία του ως ηλιακή κυψέλη. Οι μονοκρυσταλλικές ηλιακές κυψέλες παρουσιάζουν την υψηλότερη απόδοση και το υψηλότερο κόστος από όλες τις κυψέλες πυριτίου.[1] Κυψέλες πολυκρυσταλλικού πυριτίου Οι κυψέλες αυτές κατασκευάζονται από μεγάλες ορθογώνιες ράβδους καθαρού πυριτίου σε ειδικούς κλιβάνους στους οποίους ψύχεται αργά τήγμα πυριτίου για τη δημιουργία μεγάλων κρυστάλλων. Επειδή προκύπτουν απευθείας από ορθογώνιες ράβδους οι πολυκρυσταλλικές κυψέλες είναι συνήθως τετράγωνης μορφής και μεγαλύτερου μεγέθους από αυτές από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο καθώς και έχουν και λίγο χαμηλότερη απόδοση από αυτές.[1] 39

40 Κυψέλες λεπτής μεμβράνης Η τεχνολογία των λεπτών μεμβρανών χρησιμοποιεί πολύ λεπτά στρώματα (πάχους λίγων μικρών) του ημιαγωγού και με τον τρόπο αυτό μειώνεται το κόστος. Τα πιο γνωστά υλικά που χρησιμοποιούνται στις κυψέλες αυτές είναι : Άμορφο πυρίτιο (a-si). Copper Indium Diselenide (CIS). Cadmium Telluride (CdTe). Gallium Arsenide (GaAs). Με τα δυο πρώτα να είναι τα σημαντικότερα. Το άμορφο πυρίτιο διαφέρει από το κρυσταλλικό στο ότι τα άτομα δεν είναι τοποθετημένα σε ακριβείς αποστάσεις μεταξύ τους και οι γωνίες των δεσμών τους δεν είναι συγκεκριμένες. Σήμερα ένα εμπορικό φ/β πλαίσιο με κυψέλες άμορφου πυριτίου έχει απόδοση 6-8%, ενώ οι κυψέλες μονοκρυσταλλικού ή πολυκρυσταλλικού πυριτίου έχουν αποδόσεις που κυμαίνονται στο 11-14%. Λεπτό στρώμα άμορφου πυριτίου τοποθετείται σε φύλλο γυαλιού, το οποίο έχει καλυφθεί από διάφανο οξείδιο του κασσιτέρου. Στην πίσω επιφάνεια τοποθετείται μεταλλικός αγωγός και στη συνέχεια η όλη διάταξη κόβεται με laser για την παραγωγή μιας σειράς ηλεκτρικά συνδεδεμένων άλλα ξεχωριστών στοιχείων και στο τέλος γίνεται η ενσωμάτωση τους σε μια φ/β μονάδα.[1,7] Υβριδικές κυψέλες Για να επιτευχθεί ουσιώδης βελτίωση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών κυψελών χρειαζόταν σημαντικοί δομικοί επαναπροσδιορισμοί. Σε μια προσπάθεια να γίνει αυτό έγινε μελέτη στη χρήση υβριδικών δομών, στις οποίες κυψέλες με διαφορετικά χαρακτηριστικά απορρόφησης φωτός συνδέονται μαζί. Αυτό επιτρέπει την επίτευξη καλύτερων χαρακτηριστικών χρησιμοποιώντας τα ήδη υπάρχοντα υλικά και διαδικασίες. Τα πλεονεκτήματα της χρήσης μιας δομής με πολλά στρώματα είναι τα εξής : Είναι δυνατόν να απορροφηθεί το φως σε μια πιο πλατιά φασματική περιοχή, δηλαδή αποτελεσματικότερα. Είναι δυνατόν να επιτευχθούν υψηλότερες τάσεις ανοιχτού κυκλώματος. 40

41 Είναι δυνατόν να ελαττωθεί σε ορισμένο βαθμό ο ρυθμός μείωσης της απόδοση των κυψελών, ο οποίος οφείλεται σε φαινόμενα οπτικής υποβάθμισης που παρατηρούνται όταν χρησιμοποιούνται υλικά άμορφου πυριτίου.[7] Πίνακας 3.1: Συγκριτικός πίνακας τεχνολογιών φ/β Συγκριτικός πίνακας τεχνολογιών φωτοβολταϊκών Τύπος Λεπτής μεμβράνης Πολυκρυσταλλικά Μονοκρυσταλλικά Υβριδικά Απόδοση Άμορφα : 5-7% 11-14% 13-16% 16-17% CIS : 7-10% Επιφάνεια ανά KWp m m m m Υπολογισμός απόδοσης ηλιακής κυψέλης Όλες οι ηλιακές κυψέλες έχουν ένα βαθμό απόδοσης ο οποίος ονομάζεται ονομαστικός και αναφέρεται στην απόδοση της κυψέλης κάτω από μια ορισμένη θερμοκρασία που ονομάζεται θερμοκρασία αναφοράς. Σχεδόν ποτέ όμως μια κυψέλη δεν λειτουργεί στην θερμοκρασία αναφοράς και ποτέ δε λειτουργεί σε σταθερή θερμοκρασία. Άλλη είναι η θερμοκρασία το καλοκαίρι και άλλη το χειμώνα. Ακόμα και την ίδια ημέρα άλλη θερμοκρασία έχουμε αν συννεφιάσει και άλλη αν έχει ηλιοφάνεια. Για το λόγο αυτό πρέπει να υπολογίσουμε την απόδοση της κυψέλης στην θερμοκρασία που έχουμε κάθε φορά. Οι σχέσεις που ακολουθούνται για τον υπολογισμό αυτό είναι οι ακόλουθες. Η μέση απόδοση μιας φ/β κυψέλης δίνεται από τη σχέση : n p = n r [1- β p (T c T r ) (3.1) όπου βp είναι ο συντελεστής θερμοκρασίας για την απόδοση της φ/β κυψέλης και δίνεται από τον κατασκευαστή, ηr είναι ο βαθμός απόδοσης της φ/β κυψέλης στη θερμοκρασία αναφοράς Tr (25 o C), Tc είναι η θερμοκρασία που συνδέεται με την μέση θερμοκρασία περιβάλλοντος 41

42 Για την θερμοκρασία Tc ισχύει ο τύπος του Evans : T c T a = ( k T ) (3.2) Όπου NOCT (Normal Operation Cell Temperature) δίνεται από τον κατασκευαστή K T είναι ο μέσος μηνιαίος συντελεστής αιθριότητας. Αν η κλίση των φ/β κυψελών είναι διαφορετική από τη βέλτιστη τότε γίνεται χρήση της σχέσης : T c T a = C f ( k T ) (3.3) όπου Cf διορθωτικός συντελεστής που είναι ίσος με : C f = 1-1,17*10-4 (β m β) 2 (3.4) όπου βm είναι η βέλτιστη κλίση συλλέκτη.[1] Σύνδεση φωτοβολταϊκών πλαισίων Μια σχηματική παράσταση συνδεδεμένων φ/β πλαισίων φαίνεται στο σχήμα 3-2. Εκτός από τα πλαίσια στη συνδεσμολογία περιλαμβάνονται δίοδοι αντεπιστροφής και δίοδοι διέλευσης (βλ. παρ ). Αυτές οι δίοδοι προστατεύουν τα πλαίσια και τα αποτρέπουν από το να φέρονται σαν φορτία τη διάρκεια της νύχτας. Τα φ/β πλαίσια συνδέονται στη σειρά ώστε να σχηματίζουν συστοιχίες, όπου ο αριθμός των πλαισίων Ns καθορίζεται από την επιθυμητή συνεχή τάση και οι παράλληλες συστοιχίες Np από την επιθυμητή ένταση του ρεύματος. Για παράδειγμα η τάση εξόδου για τους συλλέκτες του σχήματος 3-2 καθορίζεται διπλάσια από την τάση του κάθε πλαισίου και η ένταση του ρεύματος καθορίζεται τριπλάσια από την ένταση κάθε πλαισίου ξεχωριστά (Ns = 2 και Np = 3). [6] 42

43 Σχήμα 3-2 : Σύνδεση φ/β πλαισίων Στήριξη φωτοβολταϊκών πλαισίων Οι κατασκευές στήριξης των φ/β πλαισίων πρέπει να έχουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά : Αντίσταση στον αέρα. Χαμηλό κόστος. Αποφυγή σκιασμού. Εύκολη προσέγγιση ώστε να είναι δυνατός ο καθαρισμός των φ/β μονάδων. Η κατασκευή χρειάζεται να διαθέτει ύψος ώστε να μην κινδυνεύουν οι μονάδες από την βλάστηση ή από πέτρες, αλλά ταυτόχρονα να είναι δυνατός ο εύκολος καθαρισμός τους. Επειδή οι φ/β μονάδες είναι υψηλού κόστους, οφείλεται να είναι πολύ καλά στερεωμένες για να εμποδίζεται η κλοπή τους. Επίσης, είναι απαραίτητη η χρήση φράχτη για να εμποδίζεται/ελέγχεται η είσοδος και να αποφεύγονται τυχόν βανδαλισμοί και καταστροφές από ζώα. Τέλος η χωροταξία των μονάδων προϋποθέτει κατάλληλη απόσταση μεταξύ τους και από τον φράχτη ώστε να αποφεύγονται φαινόμενα σκιασμού. 43

44 Οι κατασκευές στήριξης των φ/β πλαισίων χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες : Σταθερές κατασκευές. Κατασκευές με δυνατότητα περιστροφής σ έναν άξονα. Κατασκευές με δυνατότητα περιστροφής σε δυο άξονες. Οι σταθερές κατασκευές είναι οι πιο απλές. Τα πλαίσια τοποθετούνται σε συγκεκριμένο προσανατολισμό και κλίση και παραμένουν έτσι για όλη τη διάρκεια της λειτουργίας τους. Έχουν το χαμηλότερο κόστος αλλά λόγω της σταθερής τους θέσης παράγουν λιγότερη ενέργεια Οι κινήσεις του εδάφους και η σύνθεση της ατμόσφαιρας οδηγούν στη διαρκή αλλαγή της απόδοσης και της κατεύθυνσης των ανακλώντων ακτίνων του ηλίου. Έτσι οι κυψέλες των φωτοβολταϊκών στοιχείων σταθερής συναρμολόγησης μπορούν να μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια μόνο ένα κλάσμα της ενέργειας του φωτός που εκπέμπει ο ήλιος. Τα προγραμματιζόμενα συστήματα ανίχνευσης στρέφουν τα φ/β στοιχεία πάντοτε προς τον ήλιο κι έτσι η γωνία πρόσπτωσης παραμένει σταθερή και η ένταση του φωτός διατηρείται και μαζί της η ενέργεια. Έτσι χρησιμοποιούνται αποτελεσματικά όχι μόνο οι ώρες της ηλιοφάνειας, αλλά και το διάχυτο φως όλο το έτος -, πράγμα που έχει ως αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη παραγωγή ηλιακής ενέργειας. Η αύξηση είναι της τάξης του 20-25% με μονοαξονικά, 35-45% με διαξονικά συστήματα κι έτσι προκύπτει μεγαλύτερη οικονομική αποδοτικότητα, γρηγορότερη απόσβεση του κόστους κτήσης και κατά συνέπεια μεγαλύτερο κέρδος.[1,6] Αντιστροφέας τάσης Οι αντιστροφείς τάσης είναι ηλεκτρονικές συσκευές που χρησιμοποιούνται σε συνδεδεμένα με το δίκτυο φ/β συστήματα αλλά και σε αυτόνομα συστήματα με επαναφορτιζόμενες μπαταρίες.[5] 44

45 Αντιστροφείς τάσης για συνδεδεμένα στο δίκτυο συστήματα Ο σχεδιασμός ενός συνδεδεμένου με το δίκτυο φ/β συστήματος αρχίζει με την επιλογή ενός κατάλληλου αντιστροφέα τάσης. Αυτό καθορίζει την τάση του συνεχούς ρεύματος που θα έχει το σύστημα και ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του αντιστροφέα επιλέγονται και οι κατάλληλοι συλλέκτες. Ο αντιστροφέας αποτελεί τη δεύτερη σημαντικότερη μονάδα του συστήματος μετά τους συλλέκτες. Στοχεύει στο να μετατρέπει την συνεχή τάση που παράγεται στους συλλέκτες σε εναλλασσόμενη τάση συχνότητας 50Hz η οποία προωθείται στο δίκτυο. Σε αντίθεση με τους αντιστροφείς των αυτόνομων συστημάτων, αυτοί των συνδεδεμένων οφείλουν να αντιδρούν το ίδιο στις μεταβολές των χαρακτηριστικών του δικτύου ηλεκτροδότησης και στις μεταβολές της απόδοσης των συλλεκτών. Καθώς όλο το παραγόμενο ρεύμα περνά από αυτόν, τα χαρακτηριστικά του επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό τη συμπεριφορά και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος. Εκτός από την απόδοση στη μετατροπή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη, τα ηλεκτρονικά του αντιστροφέα περιλαμβάνουν συστήματα που είναι υπεύθυνα για την ημερήσια λειτουργία του συστήματος. Ρόλος τους είναι η λειτουργία να ξεκινά την κατάλληλη στιγμή το πρωί, όταν οι συλλέκτες παράγουν αρκετή ενέργεια. Ανεπιτυχής έναρξη της λειτουργίας απαιτεί ενέργεια από το δίκτυο και πρέπει να αποφεύγεται. Κατά τη διάρκεια της ημέρας, το βέλτιστο σημείο λειτουργίας στην καμπύλη I-V μεταβάλλεται ανάλογα με τη διακύμανση της ηλιακής ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας των συλλεκτών. Ο «έξυπνος» έλεγχος του μετατροπέα περιλαμβάνει παρακολούθηση του σημείου μέγιστης ενέργειας και συνεχή ρύθμιση στο βέλτιστο κάθε φορά σημείο λειτουργίας. Επίσης υπάρχουν συστήματα που αυτόματα αποσυνδέουν το σύστημα αν εμφανισθούν ανωμαλίες στο δίκτυο ή στους συλλέκτες. Αναπόσπαστο κομμάτι, χάρις την τεχνολογική εξέλιξη, στα περισσότερα μοντέλα αντιστροφέων τάσης είναι τα συστήματα που επιτρέπουν τη συνεχή μέτρηση της ισχύος, της τάσης, του ρεύματος και άλλων λειτουργικών παραμέτρων του 45

46 συστήματος. Τα δεδομένα αυτά μπορούν στη συνέχεια να συλλεχθούν και να αναλυθούν με τη χρήση Η/Υ Αντιστροφείς τάσης για αυτόνομα συστήματα Εξαιτίας των ειδικών συνθηκών λειτουργίας των αντιστροφέων των αυτόνομων συστημάτων, χρησιμοποιείται διαφορετικός σχεδιασμός. Σε ένα τυπικό οικιακό σύστημα, ο λόγος της ονομαστικής ισχύος προς τη μέση ισχύ είναι περίπου 25:1. Για το λόγο αυτό ο αντιστροφέας σχεδιάζεται να έχει υψηλή απόδοση γύρω στο 90%, στα μερικά φορτία και συγκεκριμένα στην περιοχή του 5-10% της ονομαστικής ισχύος. Λίγοι αντιστροφείς ικανοποιούν τις συνθήκες αυτές, μαζί με έξοδο τάσης με καμπυλοειδή κυματομορφή, και την ικανότητα να αντέχει μικρής διάρκειας υπερφορτώσεις. Ανάλογα τις απαιτήσεις χρειάζεται να χρησιμοποιηθούν τετραγωνικής και καμπυλοειδούς κυματομορφής. Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά ενός αντιστροφέας τάσης αυτόνομου συστήματος είναι τα ακόλουθα: Μεγάλο εύρος τάσης εισόδου (-10% με +30% της ονομαστικής τάσης). Τάση εξόδου όσο το δυνατόν πιο κοντά στην καμπυλοειδή κυματομορφή. Μικρή διακύμανση στην συχνότητα και τάση εξόδου. ±8% σταθερότητα τάσης, ±2% σταθερότητα συχνότητας. Υψηλό βαθμό απόδοσης στα μερικά φορτία. Βαθμό απόδοσης τουλάχιστον 90% στο 10% του φορτίου. Ικανότητα να υπομένει μικρής διάρκειας υπερφορτώσεις για τις συνθήκες εκκίνησης συσκευών. Για παράδειγμα 2 με 3 φορές την ονομαστική ένταση του ρεύματος για 5s για το ψυγείο και το πλυντήριο. Ελάχιστες δυνατές υπερ-τάσεις για επαγωγικά και χωρητικά φορτία. Ικανότητα να αντέχει βραχυκύκλωμα. 46

47 3.2.3 Συσσωρευτής (Μπαταρία) Τα αυτόνομα (μη διασυνδεδεμένα) φωτοβολταϊκά συστήματα απαιτούν την αποθήκευση της ενέργειας ώστε να έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν και σε περιόδους με καθόλου ή λίγη ηλιακή ακτινοβολία, όπως κατά τη διάρκεια της νύχτας ή κατά τη διάρκεια συννεφιάς. Η πιο ευνοϊκή λύση για αποθήκευση ενέργειας σε ένα φ/β σύστημα είναι ο κλασικός ηλεκτροχημικός συσσωρευτής (μπαταρία), ειδικά αφού παράγεται συνεχές ρεύμα και έτσι επιτρέπεται η απευθείας σύνδεση μεταξύ ηλιακών κυψελών και μπαταρίας χωρίς να χρειάζεται μετατροπή. Ωστόσο η εμπειρία έχει καταδείξει ότι σε ένα αυτόνομο φ/β σύστημα η μπαταρία είναι το πιο αδύνατο σημείο, καθώς η διάρκεια ζωής της είναι γενικά πολύ μικρότερη από όλες τις άλλες μονάδες του συστήματος. Έτσι το 30% περίπου ή και περισσότερο από τα έξοδα κατά τη διάρκεια ζωής ενός τέτοιου συστήματος δαπανείται στις μονάδες αποθήκευσης. Τυπικά η μπαταρία σε ένα αυτόνομο φ/β σύστημα είναι διαστασιολογημένη ώστε να διασφαλίζει ότι εφόσον η ηλιακή ακτινοβολία δεν επαρκεί, τα φορτία που πρέπει, μπορούν να καλυφθούν για τουλάχιστον 3-4 ημέρες. Το αποτέλεσμα της διαστασιολόγησης αυτής είναι ότι το ποσοστό της ημερήσιας εκφόρτισης μιας μπαταρίας φ/β συστήματος είναι περίπου 25% με 30% της θεωρητικής χωρητικότητας της. Επιπλέον η διαστασιολόγηση των φ/β κυψελών συνήθως γίνεται για την κάλυψη όλων των φορτίων που έχουμε υπό συνθήκες μέσης ακτινοβολίας της περιοχής. Αυτές οι δυο βασικές υποθέσεις μας επιτρέπουν να συμπεράνουμε τις τυπικές συνθήκες λειτουργίας για μια μπαταρία σε ένα αυτόνομο φ/β σύστημα. Λειτουργία με περίσσεια ενέργειας: Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού κάθε φ/β σύστημα λειτουργεί υπό συνθήκες περίσσειας ενέργειας, καθώς είναι σχεδιασμένο για συνθήκες χαμηλότερης μέσης ηλιακής ακτινοβολίας. Ως αποτέλεσμα η μπαταρία φτάνει τη μέγιστη τάση φόρτισης της σχεδόν κάθε μέρα το μεσημέρι και μέχρι το απόγευμα είναι πλήρως φορτισμένη. Κατά τη διάρκεια της νύχτας η μπαταρία εκφορτίζεται και το πρωί με την ανατολή του ηλίου έχει φτάσει στην ελάχιστη κατάσταση εκφόρτισης, περίπου στο 70% της θεωρητικής χωρητικότητας της. Κατά 47

48 τη διάρκεια της επόμενης ημέρας πραγματοποιείται πάλι ο ίδιος κύκλος φόρτισης και έχουμε και πάλι πλήρη φόρτιση μέχρι το απόγευμα. Αυτές είναι οι ευνοϊκότερες συνθήκες λειτουργίας για την μπαταρία του φ/β συστήματος. Λειτουργία με έλλειψη ενέργειας: Κατά τη διάρκεια του χειμώνα αν δεν έχει γίνει σημαντική υπερδιαστασιολόγηση, το ίδιο φ/β σύστημα λιγότερο ή περισσότερο συχνά αντιμετωπίζει συνθήκες λειτουργίας έλλειψης ενέργειας. Κάθε φορά που ο ουρανός θα είναι συννεφιασμένος (έλλειψη άμεσης ακτινοβολίας) και η συννεφιά θα παραμένει για μερικές ημέρες, η κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας σταδιακά θα μειώνεται και αργά η γρήγορα η τάση της θα πέσει κάτω από την ελάχιστη τάση εκφόρτισης. Αν ο χρήστης δεν μειώσει εκουσίως την κατανάλωση το αποτέλεσμα θα είναι η προστασία βαθιάς εκφόρτισης της μπαταρίας να διακόψει την παροχή ρεύματος. Η διακοπή θα συνεχιστεί μέχρι η μπαταρία να φορτιστεί και πάλι κατά την διάρκεια της επόμενης ηλιόλουστης ημέρας και να φτάσει ένα ικανοποιητικό επίπεδο τάσης. Λειτουργία με κύκλους διακύμανσης ενέργειας: Κατά τη διάρκεια των ημερών που η μπαταρία δεν φορτίζεται στο 100% και ούτε πέφτει στην ελάχιστη τάση εκφόρτισης, λειτουργεί σε μια κατάσταση διακύμανσης που είναι δύσκολο να εκτιμηθεί. Ωστόσο σε σχέση με τις δυο προηγούμενες καταστάσεις λειτουργίας αυτή η ενδιάμεση κατάσταση έχει πολύ μικρή βαρύτητα για την διάρκεια ζωής της μπαταρίας γιατί δεν εμφανίζεται τόσο συχνά όσο οι άλλες δυο. Οι συνθήκες λειτουργίας και η διάρκεια ζωής μιας μπαταρίας φ/β συστήματος καθορίζονται βασικά από τον αριθμό των ημερών που η μπαταρία φορτίζεται στο 100% (που είναι το ιδανικό) και των αριθμό των ημερών που φτάνει την ελάχιστη τάση εκφόρτισης. Αν οι κυψέλες έχουν διαστασιολογηθεί να είναι μικρές για τα φορτία που θα τροφοδοτούν, η μπαταρία θα φτάνει πιο συχνά την ελάχιστη αυτή τάση και η διάρκεια ζωής της θα είναι μικρότερη. Αν αντιθέτως οι συλλέκτες είναι υπερδιαστασιολογημένοι η μπαταρία θα φτάνει στο 100% σχεδόν κάθε μέρα του χρόνου και η διάρκεια ζωής της θα είναι μεγαλύτερη. Από τη στιγμή που η διάρκεια ζωής της μπαταρίας είναι ένας από τους παράγοντες «κλειδιά» για το κόστος κατά τη διάρκεια ζωής του συστήματος, κρίσιμη είναι η 48

49 μεγιστοποίηση αυτού του χρονικού διαστήματος η οποία επιτυγχάνεται με μια σειρά κανόνων. Η επιλογή της κατάλληλης τεχνολογίας που να ταιριάζει στην εφαρμογή, η επιλογή ανώτατου ορίου φόρτισης και κατώτερου ορίου εκφόρτισης, η αποφυγή πλήρους εκφόρτισης (κάτω του κατώτατου ορίου εκφόρτισης), η αποφύγη της δημιουργία στρωμάτων οξέως στον ηλεκτρολύτη, η αποφυγή υψηλών θερμοκρασιών στην μπαταρία και η εξασφάλιση συχνών πλήρων φορτίσεων. [5,7] Χαρακτηριστικά μεγέθη μπαταρίας Το ποσό της ηλεκτρικής ενέργεια που αποθηκεύεται σε μια μπαταρία μετριέται σε Wh ή KWh. Η ενεργειακή απόδοση μιας επαναφορτιζόμενης μπαταρίας είναι: και είναι συνήθως 70-80%. Η χωρητικότητα της μπαταρίας μετριέται σε Ah. Η απόδοση φόρτισης είναι: και είναι περίπου 95% για μια μπαταρία οξέως μολύβδου, και λίγο μικρότερη για μια μπαταρία νικελίου καδμίου. Οι ρυθμοί φόρτισης και εκφόρτισης είναι βολικές κλίμακες για τη σύγκριση των ρευμάτων φόρτισης των μπαταριών, ανεξάρτητα από τη χωρητικότητα τους. Εκφράζονται σαν ένας αριθμός ωρών π.χ. 10ωρος ρυθμός, 24ωρος ρυθμός κ.τ.λ. Το ρεύμα στο οποίο αντιστοιχούν είναι το πηλίκο της συνολικής ικανότητας εκφόρτισης της μπαταρίας προς τον αριθμό των ωρών που χρειάζονται για την εκφόρτιση. Ρυθμός (A) = 49

50 Η χωρητικότητα μιας μπαταρίας δεν είναι σταθερή Η ονομαστική ικανότητα μιας μπαταρίας (σε Ah) είναι οι μέγιστες Ah που μια πλήρως φορτισμένη μπαταρία μπορεί να αποδώσει κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες. Οι συνθήκες αυτές περιλαμβάνουν: Το ρεύμα (ή ο ρυθμός) που γίνεται η εκφόρτιση. Τη θερμοκρασία λειτουργίας της μπαταρίας. Την τάση μέχρι την οποία εκφορτίζεται η μπαταρία (η τελική τάση στο τέλος της εκφόρτισης). Συγκεκριμένα το ρεύμα εκφόρτισης πρέπει να δηλώνεται μαζί με την χωρητικότητα, αφού για παράδειγμα, μια μπαταρία 100 Ah θα δώσει 10 ώρες εκφόρτισης στα 10 Α, λιγότερο από μια ώρα εκφόρτισης στα 100 Α και περισσότερες από 100 ώρες στο 1 Α. Η χωρητικότητα αυξάνει για μικρότερα ρεύματα εκφόρτισης και μειώνεται για μεγαλύτερα ρεύματα. Στις χαμηλές θερμοκρασίες η χωρητικότητα όλων των μπαταριών μειώνεται. Εάν ένα φ/β σύστημα απαιτεί μια συγκεκριμένη αυτονομία σε κάποιο μήνα που η μπαταρία αναμένεται να υποστεί χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργίας αυτό θα πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά την επιλογή της μπαταρίας. Η τάση στην οποία εκφορτίζεται η μπαταρία προφανώς επηρεάζει την χωρητικότητα της. Αν μια μπαταρία εκφορτιστεί μέχρι χαμηλότερη τάση επακόλουθο είναι να δώσει περισσότερες Ah Τύποι μπαταριών φ/β συστημάτων Οι κυριότεροι τύποι επαναφορτιζόμενων μπαταριών που χρησιμοποιούνται σε φ/β συστήματα είναι : Μπαταρίες μολύβδου ασβεστίου (lead acid). Μπαταρίες νικελίου καδμίου (Ni Cd). 50

51 Μπαταρίες μολύβδου ασβεστίου Οι μπαταρίες μολύβδου ασβεστίου αποτελούνται από δυο ηλεκτρόδια και τον ηλεκτρολύτη. Το θετικό ηλεκτρόδιο αποτελείται από διοξείδιο του μολύβδου (PbO2), ενώ το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι μεταλλικός μόλυβδος Pb. Κατά την εκφόρτιση το διοξείδιο του μολύβδου στην άνοδο μεταπίπτει σε θειϊκό μόλυβδο, και ο μόλυβδος την κάθοδο μεταπίπτει επίσης σε θειϊκό μόλυβδο. Ο ηλεκτρολύτης είναι θειϊκό οξύ διαλυμένο σε νερό ή σε μορφή ζελέ. Οι αντιδράσεις που πραγματοποιούνται είναι οι εξής: Γενικά στην κυψέλη : PbO 2 + 2H 2 SO 4 2PbSO 2H O Θετικό ηλεκτρόδιο : PbO 2 + 3H + + HSO e - PbSO 4 + 2H 2 O Αρνητικό ηλεκτρόδιο : - Pb + HSO 4 PbSO 4 + H + + 2e - Μπαταρίες νικελίου καδμίου Οι μπαταρίες νικελίου καδμίου στην φορτισμένη κατάσταση έχουν θετικά ηλεκτρόδια με NiOOH σαν ενεργό υλικό, αρνητικά ηλεκτρόδια με κάδμιο σαν ενεργό υλικό και για ηλεκτρολύτη υδροξείδιο του καλίου σε νερό. Οι βασικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται είναι οι εξής : Φόρτιση - εκφόρτιση Γενικά στην κυψέλη : 2NiOOH + H2O + e - Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 Θετικό ηλεκτρόδιο : NiOOH + H 2 O + e - Ni(OH) 2 + OH - Αρνητικό ηλεκτρόδιο : Cd + 2OH - Cd(OH) 2 + 2e - Σημειώνεται ότι στις μπαταρίες νικελίου καδμίου δεν υπάρχει συμμετοχή του ηλεκτρολύτη (KOH) ούτε στην αντίδραση φόρτισης ούτε στην αντίδραση εκφόρτισης. Αυτό σημαίνει ότι η συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη δεν μεταβάλλεται ούτε κατά τη φόρτιση ούτε κατά την εκφόρτιση και κατά την αντίδραση εκφόρτισης δεν χρειάζεται να έχουμε επαρκή απόθεμα ιόντων από τον ηλεκτρολύτη για να εξασφαλιστεί ότι έχουμε μέγιστη χωρητικότητα. Και τα δυο αυτά είναι αντίθετα με τη συμπεριφορά των μπαταριών μολύβδου ασβεστίου. 51

52 Στα φ/β συστήματα οι μπαταρίες νικελίου καδμίου συνήθως επιλέγονται μόνο όταν η λειτουργία του συστήματος θα γίνεται σε πολύ χαμηλές (υπό το μηδέν) ή σε πολύ υψηλές (πάνω από 40οC) θερμοκρασίες, όπου οι μπαταρίες μολύβδου ασβεστίου έχουν πρόβλημα και η διάρκεια ζωής τους μειώνεται σημαντικά. Οι μπαταρίες νικελίου καδμίου είναι περίπου 3-4 φορές ακριβότερες ανά KWh από τις αντίστοιχες μολύβδου ασβεστίου. Παρότι μια κυψέλη μπαταρίας νικελίου καδμίου μπορεί να εκφορτιστεί πλήρως (0 V) χωρίς πρόβλημα, δεν ενδείκνυται η εκφόρτιση μιας μπαταρίας μέχρι πολύ χαμηλές τάσεις. Αποτέλεσμα αυτού είναι κάποια κελιά αναπόφευκτα να έχουν μικρότερη χωρητικότητα από άλλα και αν η εκφόρτιση υπερβεί το όριο, τα μικρότερης χωρητικότητας κελιά θα εμφανίσουν αντίστροφη πολικότητα η οποία θα μειώσει αρκετά τη διάρκεια ζωής τους. Έτσι συνήθως μια μπαταρία νικελίου καδμίου σε ένα φ/β σύστημα έχει μέγιστο όριο εκφόρτισης το 90% Ρυθμιστής φόρτισης Παρόλο που ένα φ/β σύστημα μπορεί να λειτουργήσει χωρίς ρυθμιστή φόρτισης και αυτό συμβαίνει συχνά σε μικρά συστήματα, για την μακροχρόνια λειτουργία των αυτόνομων φ/β συστημάτων πρέπει να αποφευχθεί η υπερφόρτιση και η βαθιά εκφόρτιση της μπαταρίας. Όπως έχει προαναφερθεί, το κόστος της μπαταρίας κατά τη διάρκεια ζωής ενός φ/β συστήματος κατέχει το μεγαλύτερο ποσοστό του κόστους λειτουργίας του συστήματος. Η ζωή της μπαταρίας εξαρτάται σε μεγάλο ποσοστό από τον τρόπο που την λειτουργούμε. Ο ρυθμιστής φόρτισης είναι ο σύνδεσμος μεταξύ του συλλέκτη, της μπαταρίας και του φορτίου. Αποτρέπει την υπερφόρτιση και την βαθιά εκφόρτιση της μπαταρίας. Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά ενός ρυθμιστή φόρτισης είναι τα εξής: Μικρή εσωτερική κατανάλωση ρεύματος (<5 ma). Υψηλό βαθμό απόδοσης (96% - 98%). 52

53 Διακοπή του φορτίου αν εμφανιστεί βαθιά εκφόρτιση. Τακτική φόρτιση σε υψηλότερη τάση. Προστασία από αντίστροφη πολικότητα. Προστασία από υπερφόρτιση. Λειτουργία σε θερμοκρασίες 0 οc 50 oc. Όσο αυξάνει η πολυπλοκότητα ενός αυτόνομου συστήματος πρέπει να λαμβάνονται περισσότερα υπόψη στο σχεδιασμό του. Με κατάλληλη διαχείριση της ενέργειας η χρήση των συλλεκτών και η διάρκεια ζωής ευαίσθητων μονάδων του συστήματος μπορούν να βελτιωθούν. Για το λόγο αυτό συνίσταται το σύστημα να περιλαμβάνει πίνακα ελέγχου που να πληροφορεί το χρήστη για την τρέχουσα κατάσταση του και να του δίνει συμβουλές για το πώς να αντιδράσει σε περίπτωση ανάγκης. Ο πίνακας ελέγχου είναι η μονάδα στην οποία φαίνεται η κατάσταση του συστήματος κάθε στιγμή. Έχει επικοινωνία με όλες τις μονάδες και μπορεί σε περίπτωση που εμφανισθεί κάποιο πρόβλημα να διακόψει τη λειτουργία, ώστε να προστατευθεί το σύστημα.[5] Βοηθητικά συστήματα Κάθε φ/β σύστημα περιλαμβάνει συνήθως και τα παρακάτω μέρη: Δίοδοι αντεπιστροφής (blocking diodes) ώστε να μην επιτρέπεται η αντιστροφή του ρεύματος στα φ/β πλαίσια, κάτι που μπορεί να τα καταστρέψει και να προκαλέσει ενεργειακές απώλειες. Δίοδοι διέλευσης (bypass diodes) για τη λειτουργία της συστοιχίας ακόμη και όταν κάποια πλαίσια σκιαστούν. [1,5] 3.3 Διαστασιολόγηση αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος Για να είναι σωστά σχεδιασμένο ένα φ/β σύστημα θα πρέπει η ποσότητα της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνουν όλες οι συσκευές του να είναι ίση ή μικρότερη από την ηλεκτρική ενέργεια που παρέχει το φ/β στην ίδια χρονική περίοδο. 53

54 Για τον σωστό σχεδιασμό του συστήματος πρέπει να είναι γνωστά τα παρακάτω μεγέθη για κάθε συσκευή: Το είδος της τάσης λειτουργίας της (συνεχής ή εναλλασσόμενη) και η συχνότητα για την κανονική λειτουργία της (για εναλλασσόμενη τάση). Η τιμή της κανονικής τάσης λειτουργίας της. Η ισχύς που καταναλώνει υπό την κανονική τάση λειτουργίας. Για να υπολογισθεί η μηνιαία κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας σε μια οικιακή ηλεκτρική εγκατάσταση πρέπει να ληφθεί υπόψη η ισχύς κάθε συσκευής και η ώρες λειτουργίας της κατά τη διάρκεια του μήνα. Η ενέργεια που καταναλώνει μια συσκευή (KWh) σε κάποια χρονική περίοδο είναι ίση με το γινόμενο της ισχύος της (KW) επί τις ώρες (h) λειτουργίας της την περίοδο αυτή. Για να επιλεγεί το κατάλληλο μέγεθος συστήματος ακολουθείται η εξής διαδικασία: 1. Η παραγόμενη ενέργεια ανά εγκατεστημένη επιφάνεια είναι : (3.5) όπου Η Τ η μέση μηνιαία ακτινοβολία στην επιφάνεια των φ/β. είναι : 2. Με δεδομένες τις απώλειες του φ/β πλαισίου λp η ενέργεια που λαμβάνεται (3.6) Έτσι, με δεδομένη την ενέργεια στόχου κάλυψης Ε Α, τις απώλειες λ Ρ του φ/β πλαισίου, την απόδοση του πλαισίου και την μέση μηνιαία ακτινοβολία που προσπίπτει στα πλαίσια υπολογίζεται η ονομαστική ισχύς του συστήματος που απαιτείται. [1] 3.4 Κόστος φωτοβολταϊκών συστημάτων Το κόστος εξοπλισμού και εγκατάστασης για ένα φωτοβολταϊκό πάρκο ανέρχεται περίπου σε 5-5,5 /Wp. Στο κόστος αυτό προστίθενται τα έξοδα για πιθανή αγορά 54

55 γης, τη διαμόρφωση και περίφραξη του οικοπέδου, τις μελέτες και τη σύνδεση με τη ΔΕΗ. Ως τάξη μεγέθους και μόνο, υπολογίζεται πως το συνολικό κόστος ανέρχεται περί τα 6 /Wp. Με άλλα λόγια, μια επένδυση σε ένα φωτοβολταϊκό σταθμό ισχύος 100 kwp είναι της τάξης των , ενώ μια επένδυση ισχύος 1 MWp κοστίζει 5-5,5 εκατ.. Αν η επένδυση περιλαμβάνει σύστημα παρακολούθησης της τροχιάς του ήλιου (tracker), υπάρχει μια ανακοστολόγηση 20% παραπάνω στα κόστη του εξοπλισμού. Τα λειτουργικά κόστη ενός φωτοβολταϊκού σταθμού περιλαμβάνουν τα εξής: - Κόστος συντήρησης (O&M). - Κόστος ασφάλισης (υποχρεωτικό για τη δανειοδότηση του έργου). - Κόστος φύλαξης (συμβόλαιο με εταιρεία security, υποχρεωτικό για τη δανειοδότηση του έργου σε περίπτωση εγκατάστασης σε αγροτεμάχιο). - Διοικητικά κόστη (λογιστήριο, δημοσίευση ισολογισμών σε περίπτωση ΑΕ και ΕΠΕ, τηλεφωνικά τέλη για αυτόματη αποστολή δεδομένων σε ΔΕΣΜΗΕ-ΔΕΗ). - Κόστη προσωπικού (π.χ. επιστάτη στην περίπτωση μεγάλων φωτοβολταϊκών σταθμών ή κόστη καθαρισμού των πλαισίων). Προφανώς, τόσο το μέγεθος του σταθμού όσο και το εταιρικό σχήμα και ο τόπος εγκατάστασης επηρεάζουν τα παραπάνω κόστη. Σε γενικές γραμμές, τα παραπάνω κόστη κυμαίνονται συνήθως από 0,5% έως 2% του συνολικού κόστους της επένδυσης ετησίως.[ρ.α.ε.] 55

56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ 4.1 Γενικά *(Τα στοιχεία που αναφέρονται αφορούν τη νομοθεσία μέχρι το 2011) Οι πρώτες προσπάθειες για ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών στην Ελλάδα ξεκινούν το 1985 με τον πρώτο νόμο για θέματα ηλεκτροπαραγωγής από εναλλακτικές μορφές ενέργειας. Μετά η επόμενη ουσιαστική προσπάθεια έγινε το 1994 όπου θεσπίστηκαν ευνοϊκές ρυθμίσεις για τις ΑΠΕ και παρατηρήθηκε έντονη εμφάνιση επενδυτικού ενδιαφέροντος και από την πλευρά των ιδιωτών. Οι τελικές υθμίσεις και η κάλυψη των όποιων κενών υπήρχαν έγιναν από το 2001 μέχρι το 2006 όπου είχαμε και τον τελευταίο και ευνοϊκότερο νόμο για τις ΑΠΕ και ειδικά για τα φωτοβολταϊκά ενώ συνεχείς είναι οι συμπληρώσεις, οι διευκρινήσεις και οι τροποποιήσεις άρθρων. Οι νομοθετικές διατάξεις που αφορούν τις ΑΠΕ είναι οι εξής: Νόμος 1559/1985 Νόμος 2244/1994 Νόμος 2773/1999 Νόμος 2941/2001 ΥΑ 2000/2002 ΥΑ 1726/2003 Νόμος 3468/2006 Νόμος 3661/2008 Νόμος 3734/2009 Με τον νόμο 3468/2006 το ελληνικό δίκαιο εναρμονίζεται με την κοινοτική οδηγία 2001/77/ΕΚ του Ευρωπαϊκού κοινοβουλίου και προωθείται, κατά προτεραιότητα, στην εσωτερική αγορά ηλεκτρικής ενέργειας η παραγωγή από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.) και μονάδες Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Υψηλής Απόδοσης (Σ.Η.Θ.Υ.Α.). Τα τιμολόγια που καθορίζονται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από φωτοβολταϊκά παρουσιάζονται στον πίνακα

57 Πίνακας 4.1: Τιμολόγια παραγωγής ενέργειας από φ/β. Παραγωγή Τιμή ενέργειας ( /MWh) ηλεκτρικής ενέργειας από : Διασυνδεδεμένο σύστημα Μη διασυνδεδεμένα νησιά Διασυνδεδεμένο σύστημα Μη διασυνδεδεμένα νησιά Φωτοβολταϊκές μονάδες ( 100KWpeak) Φωτοβολταϊκές μονάδες (> 100KWpeak) Γεωγραφική κατανομή σταθμών Με τον τελευταίο νόμο 3468/2006 ξεκινά πρόγραμμα ανάπτυξης φωτοβολταϊκών σταθμών. Το πρόγραμμα αυτό, το οποίο έχει λήξη στις 31/12/2020 προβλέπει την ανάπτυξη στην Ελλάδα σταθμών συνολικής εγκατεστημένης ισχύος τουλάχιστον 500 MWpeak στο διασυνδεδεμένο σύστημα και τουλάχιστον 200 MWpeak στα μη διασυνδεδεμένα νησιά.[ρ.α.ε.] Η ρυθμιστική αρχή ενέργειας με την υπ αριθμόν 123/2007 απόφαση ανακοίνωσε την ακόλουθη γεωγραφική κατανομή για τους φωτοβολταϊκούς σταθμούς στο διασυνδεδεμένο σύστημα, η οποία φαίνεται στον πίνακα 4.2 και

58 Πίνακας 4.2 Πίνακας 4.3 Και με την υπ αριθμόν 96/2007 απόφαση καθορίζει τα περιθώρια ανάπτυξης φωτοβολταϊκών σταθμών στα μη διασυνδεδεμένα νησιά (πίνακας 4.4). 58

59 Πίνακας Επιδότηση επενδύσεων Η νομοθεσία είναι διαφορετική για την επιδότηση αν αυτή γίνεται από κάποιον ιδιώτη ή από κάποια εταιρεία. Έτσι στην περίπτωση ιδιώτη δικαιούται φοροελάφρυνση σε ποσοστό 20% επί του κόστους της επένδυσης. Το ποσό αυτό όμως δεν μπορεί να υπερβαίνει τα 700. Αν η επένδυση γίνει από εταιρεία, σύμφωνα με το νέο επενδυτικό νόμο 3522/2006, η επικράτεια κατανέμεται σε τρείς περιοχές : ΠΕΡΙΟΧΗ A. Περιλαμβάνει τους Νομούς Αττικής και Θεσσαλονίκης πλην των Βιομηχανικών Επιχειρηματικών Περιοχών (Β.Ε.ΠΕ.) και των νησιών των Νομών αυτών που εντάσσονται στην Περιοχή Β. ΠΕΡΙΟΧΗ Β. Περιλαμβάνει τους Νομούς της Περιφέρειας Θεσσαλίας (Καρδίτσας, Λάρισας, Μαγνησίας, Τρικάλων), τους Νομούς της Περιφέρειας Νοτίου Αιγαίου 59